Метод инфракрасной спектроскопии. Сущность метода инфракрасной спектроскопии. Как работает FTIR-спектроскопия

Транскрипт

1 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ НАУК О МАТЕРИАЛАХ МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ И.В. Колесник, Н.А. Саполетова Москва 2011

2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ТЕОРИЯ 4 Физико-химические основы метода ИК-спектроскопии 4 Оптическая спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР). 4 Структура атомных и молекулярных спектров. Вращательные и колебательные спектры. 7 Колебания многоатомных молекул 8 Типы приборов, схемы 11 Введение 11 Принципы устройства и действия ИК-спектрометров 11 Основы техники эксперимента: спектры пропускания, нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и диффузного отражения 17 Спектры поглощения 17 Дифференциальный метод 20 Техника методов НПВО ТЕХНИКА ПРОБОПОДГОТОВКИ 25 Техника пробоподготовки и измерение спектров пропускания с образцов, спрессованных в тонкие таблетки (на примере KBr) 25 Приготовление таблеток 25 Съемка спектров 26 Техника пробоподготовки и измерение спектров пропускания с образцов в суспензиях (ГХБ, вазелиновое масло) 27 Суспензии 27 Шлифование пластин из KBr 29 Техника пробоподготовки и измерение спектров НПВО 30 Введение 30 Основные принципы 30 Используемые материалы 31 Приставка для НПВО спектроскопии РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ СПЕКТРОМЕТРА SPECTRUM ONE 33 Устройство спектрометра 33 Экскурсия по спектрометру 33 Приставки Spectrum One 35 Внутреннее устройство прибора 36 Обслуживание прибора 37 Уход за прибором Spectrum One 37 Перемещение Spectrum One 37 Замена осушителя 38 Методика измерений 45 Порядок действий 45

3 Приставка для снятия спектров диффузного отражения 52 Введение 52 Комплект поставки 53 Меры предосторожности 53 Установка 53 Калибровка приставки 55 Анализ образцов РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ 62 Задача 1. Исследование ИК-спектров гидроксида алюминия 62 Задача 2. Исследование ИК-спектров пивалата церия 67 Задача 3. Исследование реакции восстановления хинонов до углеводородов методом ИК-спектроскопии 71 Задача 4. Исследование процесса образования водородной связи в растворах этилового спирта в четыреххлористом углероде методом ИК-спектроскопии 73 Задача 5. Количественный анализ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ. КРАТКИЕ ТАБЛИЦЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ 80 Частоты характеристических колебаний связей в органических соединениях 80 Частоты характеристических колебаний связей в неорганических соединениях 86

4 1. Теория Физико-химические основы метода ИК-спектроскопии Оптическая спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР). Спектроскопическими методами анализа называются методы, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Одним из важнейших понятий, используемых в спектроскопии, является понятие спектра. Спектр это последовательность квантов энергии электромагнитных колебаний, поглощенных, выделившихся или рассеянных при переходах атомов или молекул из одних энергетических состояний в другие. Рис. 1.1 Области электромагнитного спектра, , 152 с. Диапазон электромагнитного излучения простирается от наиболее длинноволнового излучения радиоволн с длинами волн более 0,1 см - до наиболее высокоэнергетического γ- излучения с длинами волн порядка м (см. Ошибка! Источник ссылки не найден..1). Отдельные области электромагнитного спектра перекрываются. Следует отметить, что

5 область электромагнитного спектра, которая воспринимается человеческим глазом, весьма незначительна по сравнению со всем его диапазоном. Характер процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом, различен в разных спектральных областях. В связи с чем, спектроскопические методы анализа классифицируют по длине волны (энергии) используемого излучения. В то же время, оптическая спектроскопия подразделяется и по изучаемым объектам: на атомную и молекулярную . При помощи атомной спектроскопии можно проводить качественный и количественный анализ элементного состава вещества, т.к. для каждого элемента характерен свой уникальный набор энергий и интенсивностей переходов между электронными уровнями в атоме. Из данных молекулярной спектроскопии можно извлекать данные об электронной структуре молекул и твердых тел, а также информацию об их молекулярной структуре. Так, методы колебательной спектроскопии, включающие инфракрасную (ИК) спектроскопию и спектроскопию комбинационного рассеяния (КР), позволяют наблюдать колебания связей в веществе. Наборы полос в ИК и КР-спектрах являются такой же специфической характеристикой вещества, как и отпечатки пальцев человека. По этим спектрам вещество может быть идентифицировано, если его колебательный спектр уже известен. Кроме того, по ИК и КР спектрам определяют симметрию и структуру неизученных молекул. Частоты основных колебаний, находимые из спектров необходимы для расчета термодинамических свойств веществ. Измерение интенсивности полос в спектрах позволяет проводить количественный анализ, изучать химические равновесия и кинетику химических реакций, контролировать ход технологических процессов. Таблица 1.1 Взаимосвязь спектроскопических методов и областей электромагнитного спектра. Спектроскопические Спектральная область Изменяют свою энергию методы Ядерно-физические 0,005 1,4 Å Ядра Рентгеновские 0,1 100 Å Внутренние электроны Вакуумная УФспектроскопия нм Валентные электроны УФ-спектроскопия нм Валентные электроны Спектроскопия в видимой нм Валентные электроны

6 области Ближняя ИКспектроскопия энергия) Молекулы (колебательная нм Молекулы (колебательная, ИК-спектроскопия см -1 вращательная энергия) Микроволновая 0,75 3,75 мм Молекулы (вращательная энергия) спектроскопия Электронный Неспаренные электроны (в 3 см парамагнитный резонанс магнитном поле) Ядерный магнитный Ядерные спины (в магнитном 0,6 10 м резонанс поле) В результате взаимодействия потока излучения с веществом интенсивность потока (I 0) уменьшается вследствие процессов поглощения (на величину I A), отражения (I R) и рассеяния (I S). Связь между этими величинами и интенсивностью потока I, прошедшего через вещество, выражается следующим соотношением: I I I I I 0 A R S (1) Методы, основанные на взаимодействии вещества с излучением ИК-области спектра являются абсорбционными, т.е. основанными на явлении поглощения излучения. Эмиссионные методы в этой области спектра не используют ввиду трудностей получения и регистрации спектров испускания. В ИК-области для характеристики энергии фотонов чаще всего используют величину, называемую волновым числом: _ 1. (2) Ее размерность см -1, т.е. это число длин волн, укладывающихся на отрезке 1 см. Волновое число прямо пропорционально энергии: _ E h (3) В ИК спектроскопии спектр поглощения (или пропускания) представляют в координатах оптическая плотность (или интенсивность пропускания) - волновое число.

7 Структура атомных и молекулярных спектров. Вращательные и колебательные спектры. Для атомов характерны дискретные спектры, состоящие из отдельных спектральных линий линейчатые спектры. Количество спектральных линий в них растет по мере увеличения числа электронов на внешних электронных оболочках. Спектры молекул в радиочастотном диапазоне и дальней ИК-области имеют линейчатый характер, а в средней и ближней зонах ИК-, УФ- и видимой областях наблюдаются полосатые спектры . Появление полос в молекулярных спектрах связано с существованием в молекуле трех видов движения: электронного, колебательного и вращательного. Энергию молекулы E можно приближенно представить в виде суммы электронной E e, колебательной E v и вращательной E r энергий: E E E E (4) e v r Эти виды энергии различаются весьма существенно E» E» E. Каждая из входящих в выражение (4) энергий квантуется, т.е. ей соответствует определенный набор дискретных энергетических уровней. Качественная схема энергетических уровней двухатомной молекулы приведена на Ошибка! Источник ссылки не найден.. Для простоты на ней изображены лишь два электронных уровня колебательных уровней e v E e. Каждому электронному уровню отвечает свой набор E v, а каждому колебательному уровню свой набор вращательных уровней E r. При изменении энергии электронов у молекулы одновременно изменяются колебательная и вращательная энергии, и вместо электронных наблюдаются электронноколебательно-вращательные переходы. Частоты спектральных линий, отвечающие этим переходам, определяются выражением r e, v, r e v r. Поскольку число таких линий весьма велико, то электронно-колебательно-вращательный спектр, обычно называемый электронным, принимает вид широких перекрывающихся полос. Электронные спектры испускания и поглощения наблюдают в интервале нм (УФ, видимая и ближняя ИКобласти). По этой же причине полосатую структуру имеют и колебательные спектры (см -1, средняя и дальняя зоны ИК-области).

8 Рис. 1.2 Схема энергетических уровней двухатомной молекулы, Колебания многоатомных молекул Всевозможные положения молекул в трехмерном пространстве сводятся к поступательному, вращательному и колебательному движению . Молекула, состоящая из N атомов, имеет всего 3N степеней свободы движения. Эти степени свободы распределяются между видами движения по-разному в зависимости от того, является молекула линейной или нет. Для молекул обоих типов существует по 3 поступательных степени свободы, а число вращательных степеней свободы для нелинейных молекул равно 3, а для линейных 2. Таким образом, на долю колебательных степеней свободы (рис.1.3.) приходятся: 3N-5 степеней свободы для линейных молекул, 3N-6 степеней свободы для нелинейных молекул. Основные типы колебаний молекулы называются нормальными колебаниями. На Ошибка! Источник ссылки не найден. показаны нормальные колебания трехатомных молекул. Более строго, нормальными колебаниями называются такие колебания, которые происходят независимо друг от друга. Это означает, что при возбуждении нормального колебания не происходит никакой передачи энергии для возбуждения других колебаний. В случае нормальных колебаний атомы колеблются в одной фазе и с одинаковой частотой. Несимметричные движения атомов приводят к более сложным колебаниям. Каждое

9 колебание атомов в молекуле может быть представлено как линейная комбинация нескольких нормальных колебаний. С точки зрения формы колебаний различают: валентные колебания (ν), которые происходят в направлении химических связей и при которых изменяются межатомные расстояния; деформационные колебания (), при которых изменяются валентные углы, а межатомные расстояния остаются постоянными. При поглощении инфракрасного излучения возбуждаются только те колебания, которые связаны с изменением дипольного момента молекулы. Все колебания, в процессе которых дипольный момент не изменяется, в ИК-спектрах не проявляются. Рис Различные возможности движения трехатомных молекул. а) Молекула H 2 O (нелинейная). б) Молекула CO 2 (линейная),

10 В экспериментально полученных колебательных спектрах число полос часто не совпадает с теоретическим. Как правило, в экспериментальных спектрах полос меньше ввиду того, что не все возможные колебания возбуждаются, а некоторые из них являются вырожденными. Экспериментальный спектр может быть и более богат полосами по сравнению с теоретическим из-за наличия обертонов и сложных колебаний. Частоты сложных колебаний равны линейным комбинациям частот различных валентных и деформационных колебаний.

11 Типы приборов, схемы Введение Изучение ИК спектров соединений позволяет получить значительную информацию о строении, составе, взаимодействии структурных единиц (фрагментов), составляющих вещество как в твердом состоянии (кристаллическом или аморфном), так и в растворе. ИК спектры дают также сведения о состоянии молекул, сорбированных на поверхности вещества или находящихся внутри его объема благодаря наличию каналов, пор, интервалов между слоями и межзеренных пространств. ИК область спектра охватывает длины волн от границы видимой области, т. е. от 0,7 до 1000 мкм, что соответствует 10 см -1 нижнему пределу колебательных частот молекул. Вся ИК область условно делится на ближнюю, среднюю и дальнюю, или длинноволновую. Такое подразделение возникло в связи со свойствами оптических материалов (прозрачностью и линейной дисперсией) Если границей между ближней и средней областью принято считать ~ 2 мкм (~ 5000 см -1), то граница между средней и длинноволновой областью связывалась с длинноволновым пределом рабочего диапазона призмы из кристалла КВr 25 мкм (400 см - 1). В связи с созданием, с одной стороны, призм из бромида и иодида цезия, а с другой, ИКспектрометров с дифракционными решетками и интерферометров Международным союзом по чистой и прикладной химии (IUPAC) было рекомендовано называть длинноволновой область ниже 200 см -1 (низкочастотный предел рабочего диапазона призмы CsI, соответствующий длине волны 50 мкм). Принципиальных различий между интервалами и см -1, как и областью выше 400 см -1, конечно, нет, но аппаратура и методики имеют свою специфику для каждой из областей. Спектральный интервал ниже 10 см -1 (λ > 1000 мкм) обычно исследуется методами микроволновой и радиоспектроскопии. Принципы устройства и действия ИК-спектрометров Благодаря успехам в развитии спектрального приборостроения, в настоящее время имеются приборы различных конструкций, которые охватывают весь диапазон инфракрасного излучения. По принципу получения спектра приборы для ИК-области можно разделить на две основные группы: диспергирующие и недиспергирующие .

12 Диспергирующие спектрометры В качестве диспергирующего устройства используются призмы из материала с соответствующей ИК-диапазону дисперсией и дифракционные решетки. Обычно для средней ИК-области (см -1) применяют призмы из монокристаллов KBr, NaCl и LiF. В настоящее время призмы находят незначительное применение и практически вытеснены дифракционными решетками, дающими большой выигрыш в энергии излучения и высокое разрешение. Но, несмотря на высокое качество этих приборов, они все больше заменяются на фурье-спектрометры, относящиеся к группе недиспергирующих приборов. Одно- и двух-лучевые схемы Сканирующие диспергирующие ИК-спектрометры по схеме освещения бывают однолучевыми и двухлучевыми. При однолучевой схеме спектр поглощения исследуемого регистрируется на совпадающей с длиной волны кривой интенсивности и вместе с фоновым поглощением. Обычно используется двухлучевая схема, которая позволяет выравнивать фон, т.е. линию полного пропускания, и компенсировать поглощение атмосферных паров Н 2 О и СО 2, а также ослабление пучков окнами кюветы и, если необходимо, поглощение растворителей. Рис. 1.4 Блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра : 1 источник ИКизлучения; 2 система зеркал; 3 рабочий пучок и образец; 4 пучок сравнения и компенсатор фона; 5 прерыватель-модулятор; 6 входная щель монохроматора; 7 диспергирующий элемент (дифракционная решетка или призма с зеркалом Литтрова); 9 приемник; 10 усилитель; 11 мотор отработки; 12- фотометрический клин; 13 самописец; 14 мотор развертки Блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра представлена на Рис.1.4. Регистрация спектра осуществляется следующим образом: ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка. Рабочий пучок проходит через образец, а пучок сравнения через какой-то компенсатор (кювета с растворителем, окно и т. п.). С помощью

13 прерывателя 5 пучки поочередно направляются на входную щель 6 монохроматора и через нее на диспергирующий элемент 7. При медленном его повороте, осуществляемом мотором развертки 14, через выходную щель 8 монохроматора на приемник 9 последовательно проходят вырезаемые щелью узкие по интервалу длин волн, в идеале монохроматические, лучи. Если излучение данной длины волны в рабочем пучке и пучке сравнения имеет разную интенсивность, например, ослаблено в рабочем пучке поглощением образца, то на приемнике возникает переменный электрический сигнал. После усиления и преобразования этот сигнал поступает на мотор отработки 11, который приводит в движение фотометрический клин 12 (диафрагму) до уравнивания потоков излучения (метод оптического нуля). Движение фотометрического клина связано с движением пера самописца 13 по ординате, а поворот диспергирующего элемента - протяжкой бумажной ленты или движением держателя пера по абсциссе. Таким образом, в зависимости от градуировки в процессе сканирования может регистрироваться спектральная кривая зависимости пропускания (поглощения) в процентах или оптической плотности образца от волнового числа (или длины волны). Монохроматоры Принципиальной частью сканирующих спектрометров является монохроматор. В качестве диспергирующего устройства в нем могут служить призмы из прозрачных в ИКобласти материалов с подходящей дисперсией или дифракционные решетки эшелетты. Поскольку дисперсия материалов является наибольшей у длинноволнового предела их прозрачности и быстро падает с уменьшением длины волны, в средней ИК-области используют обычно сменные призмы, изготовленные из монокристаллов LiF, NaCl, KBr, а для области см -1 - из CsI. Недиспергирующие приборы В основе действия Фурье-спектрометров лежит явление интерференции электромагнитного излучения. Для изготовления этих приборов используют интерферометры нескольких типов. Наибольшее распространение получил интерферометр Майкельсона. В этом приборе поток инфракрасного излучения от источника преобразуется в параллельный пучок и затем разделяется на два луча с помощью светоделителя. Один луч попадает на подвижное зеркало, второй - на неподвижное. Отраженные от зеркал лучи возвращаются тем же оптическим путем на светоделитель. Эти лучи интерферируют благодаря приобретенной разности хода, а, следовательно, и разности фаз, создаваемой подвижным зеркалом. В результате интерференции получается сложная интерференционная

14 картина, являющаяся наложением интерферограмм, которые отвечают определенной разности хода и длине волны излучения. Объединенный световой поток проходит через образец и попадает на приемник излучения. Усиленный сигнал поступает на вход компьютера, который осуществляет Фурье-преобразование интерферограммы и получение спектра поглощения исследуемого образца. Фурье-преобразование является сложной вычислительной процедурой, однако интенсивное развитие вычислительной техники привело к созданию небольших по размерам быстродействующих компьютеров, встроенных в спектрометр, которые позволяют за короткое время получить спектр и провести его обработку c.291] Рис Принципиальная оптическая схема интерферометра Майкельсона (без коллимации пучков), . Кривая интенсивности излучения этих источников, нагреваемых током до высоких температур, имеет вид кривой излучения абсолютно черного тела. Так, например, у глобара при температуре ~ 1300 С максимум интенсивности излучения приходится на область ~ 5000 см -1 (~ 2 мкм), а в области ~ 600 см -1 (16,7 мкм) интенсивность падает примерно в 600 раз. Хорошие источники излучения в длинноволновой ИК-области вообще отсутствуют. Основная доля теплового излучения нагретых твердых тел или излучения газового разряда приходится на видимую и ближнюю ИК-область спектра, а в длинноволновой части мощность излучения этих источников составляет ничтожную долю общей мощности. Например, дуговая лампа при полной мощности излучения 1 квт дает здесь мощность всего 10-1 Вт. До низкочастотного предела 200 см -1 используются обычно указанные выше тепловые источники ИК-излучения, но они являются очень слабыми даже в интервале см -1, где кривая интенсивности I(λ) имеет далекий от максимума склон. Ниже 200 см -1 в качестве источника служит обычно ртутная лампа высокого давления. В верхней части ее рабочего диапазона используется в основном тепловое излучение нагретых стенок, а ниже поток излучения ртутной дуги и плазменная эмиссия. Приемники ИК-излучения В качестве приемников излучения в спектрометрах для средней ИК-области используются чувствительные термопары («термостолбики») или болометры, построенные по принципу термометров сопротивления. К тепловым приемникам относится также пневматический или оптико-акустический приемник (ячейка Голея), в котором под действием излучения происходит тепловое расширение газа. Газ помещается в зачерненной камере с гибкой стенкой, имеющей зеркальное внешнее покрытие. Движение отраженного зеркалом светового луча регистрируется фотоэлементом. Этот приемник изготовляется обычно для длинноволновой ИК-области, где используется также другая группа приемников: квантовые или фотонные.

17 Основы техники эксперимента: спектры пропускания, нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и диффузного отражения Спектры поглощения Общие принципы Если подвергнуть какое-либо вещество воздействию непрерывной световой энергии инфракрасного диапазона и разложить прошедший световой поток в монохроматоре по длинам волн (воспользоваться Фурье-спектрометром), затем графически отобразить зависимость интенсивности прошедшего света от длины волны, получится ИК-спектр. На фоне непрерывного спектра с интенсивностью I o проявляются полосы поглощения с характерными для определенного вещества волновыми числами . Исследования показали, что ИК-спектры индивидуальны как для каждого химического соединения, так и для некоторых атомных группировок. В зависимости от состава, строения и природы связей вещества его спектр отличается от спектров других веществ по числу полос, их положению на шкале волновых чисел и интенсивности. Следовательно, ИК-спектры можно использовать с целью идентификации и качественного анализа химических соединений на наличие отдельных атомных группировок. Это первая и простейшая задача колебательной спектроскопии. Вторая задача связана с применением колебательной спектроскопии для целей количественного анализа. Для ее решения следует лишь знать эмпирические зависимости интенсивности полос в спектре от концентрации вещества в образце. Исследование колебательных спектров для идентификации веществ и количественного анализа представляет далеко не все возможности этого метода, который сейчас широко используется для решения задач структурной неорганической химии. А именно: а) для изучения природы химических связей, б) для исследования симметрии молекул и ионов, в) для выявления межмолекулярного взаимодействия . При получении ИК-спектров поглощения вещества могут находиться во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Методика приготовления образцов и конструкция кювет зависит от агрегатного состояния вещества. Окошки кювет обычно изготовляются из монокристаллов солей главным образом галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов (чаще всего из бромида калия). Гигроскопичность последних и неустойчивость к температурным воздействиям вызывают часто значительные трудности при получении ИК-спектров .

18 Газы При записи спектра газообразных веществ используются кюветы с расстоянием между окошками 100 мм и больше. Для высокотемпературной съемки спектров газов кюветы длиной около 1 м имеют металлические стаканы, центральная часть которых нагревается с помощью спирали, через которую пропускается электрический ток. Чтобы воспрепятствовать диффузии и конденсации паров вещества на охлаждаемых окошках, в кювету вводится какой-либо инертный газ . Так как количество вещества на пути светового пучка определяется температурой и давлением газа, то для получения большей точности количественного анализа следует тщательно контролировать эти параметры . Жидкости и растворы Для съемки спектров жидкостей и растворов используются два типа кювет: разборные и постоянной толщины. Разборные кюветы состоят из двух окошек, вкладыша и стеклянного стакана. Их толщина может варьироваться изменением высоты стеклянного стакана. Герметичность обеспечивается надежным оптическим контактом торцевых поверхностей стеклянного стакана с поверхностью окошек. Кюветы постоянной толщины состоят из двух склеенных окошек, между которыми находится прокладка определенной толщины из тефлона или свинца. Расстояние между окошками жидкостных кювет составляет обычно от 0,01 до 1 мм. При съемке ИК-спектров растворов растворители обычно подбираются исходя из того, чтобы их пропускание в исследуемой области спектра составляло не менее 25%. Весьма широкие области пропускания характерны для таких растворителей, как CCl 4, CS 2, CHCl 3, CH 3 CN, C 6 H 6 и некоторых других. Вода в ряде областей ИК-спектра не прозрачна. Области пропускания ее можно существенно расширить, если наряду с растворами в простой воде снимать спектры растворов в тяжелой воде (D 2 O). Так как растворители имеют собственный спектр поглощения, то может стать проблемой подбор растворителя, в котором растворилось бы достаточное количество образца и спектр которого в то же время не налагался бы на подлежащие измерению полосы поглощения образца. Используется широкий набор различных растворителей. Большинство организаций, услугами которых пользуются лаборатории, предоставляет каталоги наиболее распространенных растворителей с указанием областей спектра, где они пригодны для использования. При съемке спектров водных растворов для изготовления окошек кювет следует применять специальные негигроскопичные материалы: CaF 2, KRS, AgCl, Si, Ge.

19 Твердые вещества Твердые вещества можно снимать в виде тонких срезов монокристаллов (толщиной несколько сотых мм) или пленок, но гораздо чаще приходится иметь дело с поликристаллическими порошками. Для уменьшения светорассеяния частицами таких порошков готовят их суспензии в какой-нибудь достаточно вязкой и прозрачной для ИКлучей жидкости. Для этой цели обычно используют вазелиновое масло. Для приготовления суспензии в вазелиновом масле несколько десятков миллиграммов вещества тщательно растирают в агатовой или яшмовой ступке с двумя-тремя каплями масла. Суспензию наносят тонким слоем на пластинку из бромида калия и покрывают второй пластинкой. Если операцию приготовления образца проводить в сухой камере, то таким образом можно исследовать даже весьма гигроскопичные вещества. Для съемки ИК-спектров поликристаллических порошков их можно прессовать также вместе с избытком бромида калия в таблетки толщиной несколько миллиметров. Для получения таблеток используются специальные вакуумные пресс-формы и давление несколько тонн на 1 см 2. Таблетки с бромидом калия можно использовать для приближенных количественных измерений составов смесей по интенсивностям полос. Следует только учитывать, что при приготовлении таблеток лабильные комплексы могут разлагаться за счет выделяющегося при прессовании тепла. Кроме того, возможен ионный обмен некоторых соединений с бромидом калия, а сильные окислители окисляют бромид-ион до брома. Обычно спектр твердого органического образца заметно зависит от кристаллической модификации, поэтому при работе с твердыми образцами следует заботиться о том, чтобы полиморфная форма образца была всегда одной и той же . Количественный анализ Внутренние стандарты Приготовленные таким образом образцы трудно измерять количественно, так как невозможно ни задать точную концентрацию в пасте, ни количественно нанести ее на определенную площадь окошек кюветы. Чтобы избежать этого затруднения, можно использовать метод внутреннего эталона. Подбирают такой внутренний эталон, который имеет полосы ИК-поглощения в той области, где у образца нет собственных полос поглощения. Определенную смесь внутреннего стандарта и образца смешивают и диспергируют в виде пасты, как указано выше. Отношение оптических плотностей полос поглощения образца и внутреннего эталона является мерой концентрации образца. Часто в качестве внутренних эталонов

20 используют неорганические вещества, так как обычно они имеют простые спектры с узкими полосами, легко размельчаются и образуют суспензии. Для этой цели применяются PbCNS, CaCO 3, додеканитрил, антрацен и стеараты металлов . Дифференциальный метод После того как образец подготовлен для записи спектра, следует выбрать технику измерения. Обычно достаточно измерить высоту пика над базовой линией и связать ее с концентрацией образца. В тех случаях, когда требуется высокая точность или большая чувствительность, полезно использовать дифференциальный метод. При этом в пучок сравнения двухлучевого прибора помещают тщательно приготовленную холостую таблетку или кювету, спектр которой вычитается из спектра образца. В кювету или таблетку сравнения обычно вводят исключаемые компоненты, присутствующие в образце, в таких концентрациях, чтобы их спектры полностью скомпенсировались. Регистрируемый в этих условиях спектр является спектром лишь интересующих нас компонентов без наложения спектров исключаемых компонентов, присутствующих в смеси. Для повышения точности анализа в кювету сравнения можно добавить известное количество определяемого компонента, а интенсивность дифференциального спектра увеличить, увеличивая толщину слоя или повышая усиление прибора. Если требуется определить очень малые количества вещества, то можно использовать так называемый двойной дифференциальный метод, который состоит в том, что спектр образца регистрируется относительно некоторого контрольного вещества, затем образец и кювету сравнения меняют местами и записывают спектр на том же бланке. Измеряя вместе положительные и отрицательные пики (при этом высота их удваивается), получают увеличение чувствительности. При использовании этого метода можно в благоприятных случаях определять десятитысячные доли процента вещества . Значение операций предварительного разделения Чем сложнее состав неизвестного образца, тем меньше возможность успешного проведения идентификации его компонентов путем прямого ИК-исследования, поэтому очень важно использовать перед съемкой ИК-спектров различные способы разделения. Если приходится часто анализировать образцы определенного типа, например пластмассы, душистые вещества или пищевые продукты, то можно разработать простую схему разделения и анализа, по которой можно будет почти полностью идентифицировать

21 составляющие весьма сложных смесей. В этих схемах для разделения смесей можно использовать экстракцию растворителем, адсорбционную хроматографию, ионный обмен, препаративную газо-жидкостную хроматографию с последующей записью ИК-спектров полученных фракций. Подобные аналитические схемы можно использовать для идентификации малых примесей и загрязняющих веществ, для характеристики параллельно образующихся продуктов и др . Техника методов НПВО Сущность метода НПВО Метод НПВО представляет собой разновидность спектроскопии, но его следует отличать от других форм спектроскопии отражения. Спектроскопия, использующая обычное отражение, отличается тем, что излучение падает на поверхность образца и отражается в монохроматор, проходя через ряд оптических элементов. Устройства для этих исследований позволяют работать с постоянными или переменными углами падения. Обычный спектр зеркального отражения не похож на спектр пропускания. Другая распространенная методика спектроскопии отражения имеет дело с тонкими пленками, нанесенными на сильно отражающую поверхность, например из алюминия, и все это устройство помещается в обычную установку для измерения зеркального отражения. Получаемый таким образом спектр похож на обычный спектр поглощения. Этот вид отражательной спектроскопии иногда называют двукратным пропусканием, поскольку излучение проходит через образец, отражается от зеркальной поверхности, проходит образец еще раз и попадает затем в монохроматор. Техника двукратного пропускания довольно широко распространена, но применение ее ограничено теми веществами, которые могут быть приготовлены в виде очень тонких слоев. Она непригодна, если исследуемые образцы имеют очень большую толщину или очень сильно поглощают. Интересующий нас вид отражательной спектроскопии осуществляется в том случае, когда свет падает на образец из оптически более плотной среды (среда с большим показателем преломления) под углом больше критического, т. е. при условиях, когда должно было бы иметь место обычное полное внутреннее отражение. Однако часть падающего излучения проникает в образец и там поглощается в характеристических для образца участках длин волн. В результате этого отражение оказывается не полным, а «нарушенным полным внутренним отражением». Критический угол представляет собой угол падения, при котором угол преломления составляет 90. Величина критического угла падения может быть найдена из равенства

22 : n p sin = n sin (5) где n p и п - показатели преломления кристалла и образца соответственно; - угол падения; - угол отражения. При критическом угле падения угол равен 90, откуда sin = 1. Отсюда легко получить величину критического угла из выражения sin =n/n p, (6) Найдено, что для техники НПВО наиболее удобны четыре высокопреломляющих кристалла; бромидиодид таллия (KRS-5), хлористое серебро (AgCl), иртран-2 и германий. Они перечислены по степени их применимости. Для получения спектра НПВО необходимо, чтобы ИК-излучение прошло в кристалл с большим показателем преломления, отразилось (один или несколько раз) от границы раздела с образцом, имеющим более низкий показатель преломления при угле больше критического и вышло из кристалла в монохроматор. Получаемый спектр НПВО очень похож на обычный спектр поглощения в ИК-диапазоне. По мере увеличения длины волны наблюдаемые полосы поглощения в спектре НПВО становятся более интенсивными, чем соответствующие полосы поглощения в обычном спектре. В этом состоит наиболее заметное различие между спектрами НПВО и спектрами ИК-поглощения, обусловленное зависимостью НПВО от длины волны. Другое различие, менее заметное, заключается в небольшом сдвиге максимумов полос поглощения. Ни одно из этих различий не создает серьезных трудностей при сравнении спектров НПВО со спектрами ИК-поглощения. Когда угол падения приближается к критическому, наблюдаемый спектр НПВО становится весьма посредственным или бедным линиями из-за мешающих эффектов рефракции. Но и при увеличении отклонения от критического угла интенсивность полос поглощения также убывает. Если показатель преломления кристалла приближается к показателю преломления образца, то спектр НПВО становится очень интенсивным, т. е. оптическая плотность полос возрастает. Для получения оптимальных спектров НПВО необходим компромисс между этими факторами. Подбор подходящего кристалла оказывается более важной задачей, чем выбор диапазона углов падения для получения хорошего спектра НПВО. При выборе оптимального угла падения спектроскописты стараются работать при углах, значительно больших критического. Но не при слишком, чтобы спектр был малоинтенсивным и не при столь малых, чтобы спектр НПВО искажался эффектами рефракции.

23 Аппаратура для получения спектров НПВО Многочисленные работы по экспериментальной технике НПВО в значительной мере были направлены на подбор и использование кристаллов различной конфигурации. При этом подбирались условия, и которых можно получить однократное отражение, когда кристаллы представляли собой призму или полуцилиндр, и многократные отражения (до 20 и более раз), когда кристаллам придавалась специальная удлиненная форма Наибольшее количество спектров НПВО было получено на приставках, помещаемых в обычные ИК-спектрометры или спектрофотометры. Приставка состоит из двух систем зеркал: одна из них направляет излучение источника в кристалл под постоянным или переменным углом падения; вторая система зеркал направляет излучение в монохроматор ИК-спектрометра. Кристалл НПВО и держатель образца выполнены таким образом, чтобы обеспечить хороший контакт между кристаллом и поверхностью образца, для чего предусматривается создание некоторого сдавливания. Аналогичные зеркальные системы применяются и в приставках с фиксированным углом, которые в последнее время начинают приобретать широкое распространение. Такая съемная приставка размещается в кюветном отделении спектрометра. Сейчас существуют и серийные специализированные спектрофотометры для получения спектров НПВО. Подбор образцов Для получения удовлетворительного спектра НПВО необходимо подобрать материал кристалла таким, чтобы было обеспечено оптимальное соотношение показателей преломления кристалла и образца, подобрать угол падения и обеспечить хороший контакт на границе раздела между кристаллом и образцом. Последние наиболее важно, так как без хорошего контакта нельзя получить удовлетворительный спектр НПВО. Наилучшие спектры НПВО получаются от образцов, имеющих достаточно ровную плоскую поверхность. Гладкая поверхность таких образцов, как пленки, позволяет обеспечить хороший контакт между рабочей поверхностью кристалла и образцом без порчи поверхности кристалла (что важно для его длительного срока службы). Если образец имеет неровную поверхность, то нет смысла пытаться обеспечить его хороший контакт с кристаллом, применяя, например, большие усилия. ИК-излучение при этом будет только рассеиваться, спектр НПВО не получится, а кристалл либо разрушится, либо, в лучшем случае, потребует переполировки. Недостаточно также, чтобы контакт между кристаллом и образцом осуществлялся в некоторых точках, а не по всей поверхности. Как и в предыдущем случае спектра получить не удастся. В тех случаях, когда поверхность

24 образца нельзя нужным образом подготовить без нанесения ему ущерба, вероятно, вообще следует отказаться от метода НПВО. Для получения спектра пленки, наносимой на кристалл необходимо обеспечить достаточную ее толщину, при которой уже было бы заметно ИК-поглощение. Это означает, что толщина слоя должна быть равна, по меньшей мере, 0,001 мм. В некоторых случаях можно получить спектры НПВО и от порошкообразных образцов, но для этого необходимо, чтобы они сцеплялись с поверхностью кристалла. Таких образцов довольно мало. Удовлетворительный спектр НПВО можно получить для тонко размельченного порошка. Если прессованием порошка образцу можно придать необходимую форму, то это тоже повышает шансы на получение спектра хорошего качества. Работа с растворами и жидкостями ИК-излучение из кристалла может проникать в жидкий раствор на глубину 0,005 0,05 мм. Если анализируемый компонент раствора обладает достаточным поглощением в такой толщине слоя, то можно получить спектр НПВО удовлетворительного качества. Для водных растворов регистрируемый спектр НПВО будет в той мере только спектром воды, насколько глубоко излучение проникает в жидкую среду: при проникновении на 0,05 мм спектр практически будет отсутствовать из-за полного поглощения водой. При подготовке к измерениям спектра НПВО следует убедиться в том, не будет ли происходить химической реакции между исследуемым образцом и кристаллом. При этом может разрушиться кристалл, а спектра получить не удастся .

25 2. Техника пробоподготовки Техника пробоподготовки и измерение спектров пропускания с образцов, спрессованных в тонкие таблетки (на примере KBr) Приготовление таблеток 1. Перетирание порошка Размер кристаллитов в образце сильно влияет на качество получаемых спектров из-за процессов рассеяния излучения. Чтобы избежать эффекта рассеяния, частицы в порошке образца, который будет использоваться для прессования таблетки, должны иметь размер около 1 мкм. Для достижения таких размеров образец должен быть тщательно перемолот в агатовой или яшмовой ступке. Опытные операторы оценивают размер частиц в порошках по тактильным ощущениям. 2. Подготовка прессформы После того, как порошок тщательно перемолот, его, предварительно взвесив и тщательно смешав с KBr, помещают в прессформу. Необходимо отметить, что немаловажную роль играет состояние прессформы она должна быть абсолютно чистой и хорошо отполированной. Пред использованием прессформу протирают этиловым спиртом. Использование ваты и других ворсистых материалов при этом нежелательно, рекомендуется использовать специальные безворсовые салфетки. 3. Прессование Порошок, помещенный в прессформу, непосредственно перед прессованием разравнивают с помощью шпателя для обеспечения равномерности распределения вещества в объеме прессформы во время прессования. Прессформу с порошком и вставленным пуансоном помещают в пресс. Процесс прессования проводится при усилии 6 атмосфер в течение двух минут. Давление с пресформы следует снимать постепенно, так как при быстром снятии давления в образце возможно образование напряжений, которые могут приводить к нежелательному растрескиванию таблеток. После окончания прессования таблетку извлекают из прессформы и помещают в предварительно приготовленный контейнер для хранения образцов. В качестве удобного контейнера для хранения таблеток могут служить конвертики, свернутые из бумаги они удобны в использовании и хранении. 4. Обслуживание прессформы

26 Для приготовления таблеток высокого качества прессформы необходимо регулярно после завершения работы тщательно протирать для удаления остатков вещества с пуансона и стенок прессформы. Для этого рекомендуется использовать этиловый спирт. Появление царапин на рабочих поверхностях прессформы крайне нежелательно, поэтому обращаться с прессформами нужно всегда бережно и аккуратно. Съемка спектров 1. Подготовка прибора к работе Спектрометр необходимо включить заранее (за мин) до начала съемки образцов, чтобы прогреть источник излучения. 2. Съемка фона Пред тем, как приступить к съемке образцов, снимают спектр воздуха в камере спектрометра. Этот спектр впоследствии автоматически будет учитываться при получении спектров образцов. 3. Съемка образца Готовую таблетку закрепляют в держателе для образцов и помещают в спектрометр. Для получения спектра таблетка должна быть достаточно прозрачна, что контролируется по величине энергии, зарегистрированной приемником излучения спектрометра перед началом съемки спектра. Полученные спектры сохраняются в виде таблицы данных для последующей их интерпретации.

27 Техника пробоподготовки и измерение спектров пропускания с образцов в суспензиях (ГХБ, вазелиновое масло) Суспензии Одним из основных способов подготовки твердых образцов для исследований является оправдавшая себя длительной практикой методика приготовления суспензии (взвесей, паст) в вазелиновом масле или гексахлор-бутадиене (ГХБ). Вазелиновое масло представляет собой смесь нормальных насыщенных углеводородов среднего состава С 25. Оно практически не содержит ароматических и ненасыщенных углеводородов, а также других примесей, обладает достаточной вязкостью и подходящим показателем преломления, которые позволяют без особого труда получать удовлетворительные спектры твердых веществ. Суспензию приготавливают путем измельчения и растирания твердого вещества в вазелиновом масле или ГХБ, пока не достигается достаточная дисперсность. Сжимая руками окошки из КВr, между которыми находится слой пасты, добиваются нужной толщины. Затем окошки, закрепленные в металлическом держателе кювет, устанавливают на спектрофотометре и записывают спектр образца в желаемой области длин волн. Простой с виду, процесс приготовления суспензии удовлетворительного качества требует на самом деле больших навыков и умения. Суспензию обычно готовят следующим образом. На стеклянную пластинку кладут 5-10 мг твердого вещества, затем при помощи капельницы наносят каплю масла на середину головки стеклянного пестика и начинают энергично размельчать им вещество. Здесь под «размельчением» подразумевается разрушение агрегатов мелких частиц, из которых состоят кристаллические, гранулированные и порошкообразные вещества. Проделав пестиком около пятнадцати круговых движений по стеклянной пластине, при помощи шпателя из нержавеющей стали собирают всю размельченную суспензию со стекла и пестика на середину пластины и растирают снова. Обычно приготовление суспензии считают законченным после трех таких операций, иногда можно ограничиться двумя, хотя могут оказаться необходимыми и четыре или больше операций. Суспензия может оказаться слишком густой или слишком жидкой, тогда нужно добавить либо масла, либо соответственно твердое вещество. Однако экспериментатор, поработав с различными веществами, вскоре

28 научится чувствовать, в каких соотношениях следует брать масло и твердое вещество для любых образцов. Правильно приготовленная суспензия обычно полупрозрачна в видимом свете. При рассматривании суспензии, сжатой между солевыми окошками до желаемой толщины, не должно быть заметно трещин, зернистости или других неоднородностей пленки. Если неоднородности видны на глаз, то суспензия будет рассеивать коротковолновое излучение. При этом максимумы поглощения и пропускания окажутся искаженными, и ценность такого спектра будет невелика, в худшем случае он будет просто неверным. Толщина пленки суспензии, необходимая для получения удовлетворительного спектра, зависит от поглощательной способности образца. Если самая тонкая пленка, которую можно получить, дает слишком сильный спектр, то суспензию следует разбавить маслом и повторно перемешать. Наоборот, если очень толстый слой дает слишком слабый спектр, то следует добавить больше образца и все повторно перемешать. Обычно суспензии, приготовленные должным образом, дают отличные спектры для качественных целей. Таким образом, наиболее простым и в общем случае удовлетворительным способом приготовления образца с целью получения спектра твердого вещества для качественного анализа является методика суспензий (конечно, если он вообще применим). Однако этот метод имеет и некоторые недостатки. Один из недостатков спектра суспензии в вазелинового масла состоит в том, что в областях собственного поглощения масла трудно или почти невозможно получить данные о поглощении самого образца. Само вазелиновое масло характеризуется поглощением, типичным для насыщенных углеводородов с длинной цепью: очень сильная полоса от 3000 до 2800 см -1 (область 3,5 мкм), сильная полоса около 1460 см -1 (6,85 мкм), полоса средней интенсивности около 1375 см -1 (7,27 мкм) и слабая полоса примерно при 722 см -1 (13,85 мкм). Эти полосы обусловлены валентными и деформационными колебаниями связей в метильных, метиленовых и метиновых группах молекул. Однако эту трудность легко преодолеть; следует лишь приготовить и записать спектр второй суспензии, используя среду, не содержащую атомов водорода. Можно брать гексахлорбутадиен, который не поглощает в тех областях, где вазелиновое масло имеет полосы. Имея суспензии вещества в гексахлорбутадиене и в вазелиновом масле, можно получить полный спектр этого вещества свободный от полос поглощения дисперсионной среды.

29 Шлифование пластин из KBr В качестве материала для окошек кювет наиболее употребительны кристаллы KBr, однако их гигроскопичность приводит к ряду затруднений. В процессе использования они могут мутнеть. Достаточно небольшого содержания воды в исследуемом веществе и органическом растворителе или высокой влажности воздуха, чтобы рано или поздно даже при тщательном уходе окошки помутнели. Для удаления помутнения пластинки из KBr приходится периодически полировать. Полировка пластин из КВr представляет такое простое дело, что каждый серьезный спектроскопист должен овладеть этой методикой. Это дает достаточную экономию, а также является легким физическим упражнением, полезным для специалиста в общем малоподвижной профессии. Шлифовка и полировка пластин может производиться с использованием различных абразивных материалов в зависимости от глубины повреждений. При наличии глубоких повреждений пластинки перед полировкой шлифуют на мелкой наждачной бумаге до удаления крупных царапин. При отсутствии глубоких царапин ограничиваются полировкой пластин на пасте (Cr 2 O 3) с последующей полировкой на ткани (фланель). При этом поверхность ткани с пастой и чистой ткани рекомендуется смачивать этиловым спиртом. Для шлифования и полировки пластин необходимо надеть резиновые перчатки или напальчники, т.к. пластинка в местах соприкосновения с кожей мутнеет. Полировка производится круговыми движениями. Вышеописанная процедура полировки требует, повидимому, некоторой практики, сноровки и внимания к деталям, иначе ровная гладкая пластина может не получиться.

Спектрометрия в инфракрасной области ОФС.1.2.1.1.0002.15 ВзаменГФХ Взамен ст. ГФ XI, вып.1 Взамен ГФ XII, ч.1, ОФС 42-0043-07 Инфракрасные спектры (колебательные спектры) (ИК-спектры) возникают вследствие

01/2016:20224 2.2.24. АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ Инфракрасные спектрофотометры применяют для записи спектров в области от 4000 см -1 до 650 см -1 (от 2,5 мкм до 15,4 мкм), а

Спектроскопические методы для исследования (нано)материалов Ирина Колесник Факультет наук о материалах МГУ материалы экспериментального тура IV Всероссийской Интернет олимпиады по нанотехнологиям Гетерополи-

Лекция 4. Инфракрасная (ИК) спектроскопия. Инфракрасная (ИК) спектроскопия один из методов оптического спектрального анализа, основанный на способности вещества избирательно взаимодействовать с электромагнитным

Работа 4.22 Изучение основных характеристик светофильтров Оборудование: набор светофильтров, малогабаритный монохроматор МУМ, цифровой вольтметр В7-22. Введение Светофильтры это приспособления, изменяющие

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ Рамановская спектрометрия ОФС.1.2.1.1.0009.15 Вводится впервые Рамановская спектрометрия является экспрессным (1 2 с) и неразрушающим

Физикохимические методы анализа 1 Физико-химические методы анализа 2 Спектральные Вид энергии возмущения Электромагнитное излучение Измеряемое свойство Длина волны и интенсивность спектральной линии в

Лекция 5 Полярография и анодная вольтамперометрия Полярографическим методом изучается процесс присоединения электрона к молекулам (ионам) изучаемого вещества, находящегося в водном растворе. Схема полярографа

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ Рентгеновская флуоресцентная спектрометрия ОФС.1.2.1.1.0010.15 Вводится впервые Рентгеновская флуоресцентная спектрометрия метод

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 87 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА

Лекция 14 Взаимодействие света с веществом Сегодня: вторник, 12 ноября 2013 г. Содержание лекции: Дисперсия света Групповая скорость Элементарная теория дисперсии Поглощение света Рассеяние света 1. Дисперсия

Лекция 5 Колебательная спектроскопия Физико-химические основы метода ИК-спектроскопии: Оптическая спектроскопия Инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) Структура

Работа 4.20 Изучение поглощения света твердыми и жидкими телами Оборудование: фотоэлектрический колориметр-нефелометр ФЭК-60, набор образцов твердого тела, набор кювет с растворами разной концентрации.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО» В.И. Кочубей ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Спектроскопические методы исследования Общая картина взаимодействия электромагнитного излучения с веществом Диапазоны значений частот и длин волн в спектроскопии Область энергий электромагнитного излучения,

Кафедра нанометрологии Московский физико-технический институт (государственный университет) Лабораторная работа по курсу: Определение химического состава образца газа с помощью ИК-Фурье спектрометра Nicolet

) Под каким углом должен падать пучок света из воздуха на поверхность жидкости, чтобы при отражении от дна стеклянного сосуда (n =,5) наполненного водой (n 2 =,33) свет был полностью поляризован. 2) Какова

ДИДАКТИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА 5: Волновая и квантовая оптика Задание На расстоянии м от лампы энергетическая освещенность небольшого листа бумаги, расположенном перпендикулярно световым лучам, равнялась Вт/м.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 5 ВАРИАНТ 1. 1. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами на экране в опыте Юнга, если зеленый светофильтр (λ 1 = 500 нм) заменить красным (λ 2

Рисунок 3 Зависимость удельного расхода электроэнергии турбокомпрессора К500-61-5 от температуры воздуха после промежуточных воздухоохладителей Таким образом, повышение температуры воздуха после промежуточных

Работа А-08 ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить спектры поглощения твердых тел и освоить технику измерения и обработки этих спектров на спектрофотометре. Введение В твердом теле

ЛК 7 Понятие о методах ОНК с помощью комбинационного рассеяния света. Техника комбинационного рассеяния света. Молекулярный анализ по электронным спектрам поглощения. Фотометры и спектрофотометры. Физические

Лабораторная работа 10 Определение материальных потерь в пленочных световодах Цель работы расчет коэффициента экстинкции для пленочного световода с использованием значений его оптических постоянных, измеренных

Вопросы к зачету 1 «Оптика» 1. Перечислите законы отражения света. Как в принципе получить изображение в плоском зеркале? 2. Перечислить законы преломления света. 3. Чем объяснить факт преломления света?

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Интерференция света Задача 1. Луч лазера с длиной волны λ расщепляется на два. Один луч проходит через прозрачную плёнку толщиной d 1 с показателем преломления

Оптика Волновая оптика Спектральные приборы. Дифракционная решетка В состав видимого света входят монохроматические волны с различными значениями длин. В излучении нагретых тел (нить лампы накаливания)

РАЗДЕЛ 4 СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ Теоретические основы Теоретические основы Спектры испускания Спектры поглощения Спектры пропускания Спектры отражения определяют видимые свойства объекта (яркость, цветовой

Лекция 3. Абсорбционная спектроскопия. Фотоколориметрия и спектрофотометрия. Спектральные методы анализа и исследования основаны на взаимодействии электромагнитных волн с веществом. Излучение направляется

Работа 5.10 Определение ширины запрещенной зоны полупроводников по краю собственного поглощения Оборудование: призменный монохроматор УМ-2, лампа накаливания, гальванометр, сернисто-кадмиевое фотосопротивление,

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА 1. Какой частоте колебаний соответствует длина волны излучения в инфракрасной области (λ 1 = 2,5 мкм) и в ультрафиолетовой (λ 2 = 200 нм) области спектра? 2. Сколько длин волн монохроматического

Физикохимические методы анализа Инфракрасная спектроскопия ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА Основная энергетическая характеристика Волновое число, см -1 Является молекулярно-специфичным, что позволяет получать

Раздел 5. Спектроскопические ОИС ЛК 6 Основы абсорбционной спектрофотомерии. Принцип действия инфракрасных спектрофотометров и их применение в промышленных лабораториях. Инфракрасные проточные анализаторы

ЛЕКЦИЯ 11 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ. ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ Интерференция при отражении от прозрачных пластинок. Кольца Ньютона. Просветленная оптика. Интерферометры 1. Интерференция при отражении

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ Спектрофотометрия в ОФС.1.2.1.1.0003.15 ультрафиолетовой и Взамен ОФС ГФ X, ОФС ГФ XI, видимой областях ОФС 42-0042-07 ГФ XII,

Интерференция световых волн Интерференция возникает при наложении волн, создаваемых двумя или несколькими источниками, колеблющимися с одинаковыми частотами и некоторой постоянной разностью фаз Такие источники

Лабораторная работа 4 Изучение физических основ инфракрасной абсорбционной спектроскопии Цель работы: 1. Изучение физических явлений, лежащих в основе абсорбционной спектроскопии. 2. Изучение принципов

Аналитическая химия 4 семестр, Лекция 14. Модуль 2. Оптические методы анализа. Другие оптические методы. ИКспектрофотометрия. 1. Нефелометрия и турбидиметрия. 2. Рефрактометрия. 3. Спектрометрия диффузного

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИЗМЫ И ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ Цель работы: с помощью дифракционной решетки определить длины волн излучения в спектре ртутной лампы; определить параметры отражательной

9. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, МАСС- СПЕКТРОМЕТРИЯ, РАССЕЯНИЕ СВЕТА Самый прямой способ определения размеров наночастиц это исследование на просвечивающем электронном микроскопе. Другой способ определения

Поглощение света оптическими фононами. ИК-спектроскопия. Оглавление Качественные соображения...1 Соотношение Лиддейна-Сакса-Теллера...2 Постановка эксперимента и примеры экспериментальных данных...6 Список

Индивидуальное задание N 6 «Волновая оптика» 1.1. Экран освещается двумя когерентными источниками света, находящимися на расстоянии 1 мм друг от друга. Расстояние от плоскости источников света до экрана

Министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

АНАЛИЗ НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ Тестов Д.С., Полотнянко Н.А., Фадейкина И.Н. Государственный университет «Дубна» г. Дубна, Россия ANALYSIS OF PETROLEUM PRODUCTS BY IR SPECTROSCOPY Testov

Лабораторная работа 0. Комбинационное рассеяние света. Составитель и ведущий преподаватель: Лившиц Александр Маркович При освещении вещества монохроматическим излучением происходит рассеяние света. При

Разработка урока с применением ИКТ Урок: «Дифракционная решетка». Цели урока: 1. знакомство с оптическим прибором - дифракционной решеткой; сформировать умения по качественному описанию дифракционной картины

Дисперсия света. Тепловое излучение Лекция 7 Постникова Екатерина Ивановна доцент кафедры экспериментальной физики Дисперсия света Дисперсия света зависимость фазовой скорости света c (показателя преломления

Измерение коэффициентов пропускания различных веществ с помощью спектрометра оптически прозрачных сред Работу выполнили: Талипов Равиль, 632 Гр. Сухова Наталья, 631 Гр. МФТИ 2018 Введение Задача определения

Дифракция, дисперсия, интерференция света 1. При освещении дифракционной решетки монохроматическим светом на экране, установленном за ней, возникает дифракционная картина, состоящая из темных и светлых

Интерференция света 1. Световые волны. Принцип Ферма. Вывод законов отражения и преломления света. 2. Способы получения когерентных световых волн. Интерференция световых волн. 3. Расчет интерференционной

3 3. Гармонический осциллятор, пружинный, физический и математический маятники. Физический маятник. Физическим маятником называется твёрдое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг

1 ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Цель работы: ознакомление с явлением поглощения оптического излучения полупроводником, измерение спектров поглощения кристаллов CdS и GaAs при комнатной

Измерение длины волны красной линии кадмия Майкельсон выполнил первое точное измерение длины волны красной линии кадмия в 1890-1895 гг. (Майкельсон А.А. Исследования по оптике. - М.-Л.: Государственное

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 1. Тепловое излучение и люминесценция Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии. Самым распространенным является тепловое

Лекция 5 Электронная спектроскопия. Спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях План лекции 1. Вероятности переходов между электронно-колебательновращательными состояниями. Принцип Франка-Кондона.

3 Цель работы: изучение спектра поглощения раствора органического красителя с помощью монохроматора. Задача: измерить коэффициент поглощения органического красителя родамина 6G для некоторых длин волн.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР НА БАЗЕ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРА ЛИННИКА к.т.н. Штанько А.Е. МГТУ «СТАНКИН» Любой двухлучевой интерферометр, работающий в режиме полос конечной ширины, в принципе может быть

Приставки для ИК-Фурье-спектрометра Agilent Cary 630: сочетание высокой эффективности и универсальности Обзор технической информации Введение Agilent Cary 630 компактный, надежный и удобный в эксплуатации

Волновые свойства света Природа света двойственна (дуалистична). Это означает, что свет проявляет себя и как электромагнитная волна, и как поток частиц фотонов. Энергия фотона ε: где h постоянная Планка,

Лабораторная работа 1 Определение радиуса кривизны поверхности линзы методом колец Ньютона. Цель работы. Цель работы определить радиус кривизны выпуклой сферической поверхности (одной из поверхностей стеклянной

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.6. СПИН-ОРБИТАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ТОНКАЯ СТРУКТУРА СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Ц е л ь р а б о т ы: знакомство с проявлением спин-орбитального взаимодействия на примере изучения спектров

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького» ИОНЦ «Экология и природопользование»

Спектроскопия - раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии – для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, т.е. методами спектрометрии.

Области применения спектроскопии разделяют по объектам исследования: атомная спектроскопия, молекулярная спектроскопия, масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и другие.

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность получить сведения об относительных положениях молекул в течение очень коротких промежутков времени, а также оценить характер связи между ними, что является принципиально важным при изучении структурно-информационных свойств различных веществ.

В основе этого метода лежит такое физическое явление, как инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

Инфракрасная спектроскопия (ИК спектроскопия), раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в инфракрасной области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м. В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны (волновое число) инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

Ближний ИК-спектр жидкого этанола

Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы. Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрии строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому инфракрасные спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений.

Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I0 и величинами, характеризующими поглощающее вещество, основана на законе Бугера-Ламберта-Бера, т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

На практике обычно инфракрасный спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты  (или длины волны ) ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента пропускания T () = I ()/I0(); коэффициента поглощения А() = /I0() = 1 - Т(); оптической плотности D() = ln = ()cl, где () - показатель поглощения, с - концентрация поглощающего вещества, l - толщина поглощающего слоя вещества. Поскольку D() пропорциональна () и с, она обычно применяется для количественного анализа по спектрам поглощения.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных и либрационных колебаний молекул.

Для регистрации спектров поверхности твердых тел применяют метод нарушенного полного внутреннего отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем вещества энергии электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, которая находится в оптическом контакте с изучаемой поверхностью. Инфракрасная спектроскопия широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых веществ.

Идентификация чистых веществ производится обычно с помощью информационно-поисковых систем путем автоматического сравнения анализируемого спектра со спектрами, хранящимися в памяти ЭВМ. Для идентификации новых веществ (молекулы которых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусственного интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются молекулярные структуры, затем строятся их теоретические спектры, которые сравниваются с экспериментальными данными. Исследование строения молекул и др. объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах молекулярных моделей и математически сводится к решению обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью специальной теории спектральных кривых к экспериментальным.

Параметрами молекулярных моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной поверхности (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др. Инфракрасная спеткроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику химических реакции, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геометрические параметры, получать данные для вычисления термодинамических функций и др.

Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебательной энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в том числе полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантовохимическими расчетами.

И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодической системы. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геометрические параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.

Как известно, при инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках. При этом следует отметить, что в процессе снятия инфракрасного спектра создаются помехи на определенных длинах волн, связанные с поглощением электромагнитного излучения связями растворителей О-Н и С-Н.

Инфракрасный спектр биологического образца представляет собой суммарный спектр, в котором происходит наложение полос поглощения различных функциональных групп органических веществ а также воды. Это явление усложняется в виду взаимодействия отдельных видов колебаний указанных групп, при этом происходит искажение формы полос поглощения и смещение их максимумов. Поэтому на инфракрасных спектрах наблюдается большое число широких полос поглощения с неясными максимумами. Обычно расшифровка инфракрасных спектров биологических образцов весьма затруднительна, поэтому, чтобы облегчить расшифровку суммарного спектра, необходимо разделять биологический образец на более простые компоненты. Это дает возможность получить большее число полос поглощения для исследуемого вещества и более точно определить состав компонентов в образце.

Положительной особенностью метода инфракрасной спектроскопии является то, что полосы поглощения одного и того же вида колебаний атомной группы различных веществ располагаются в определенном диапазоне инфракрасного спектра (например, 3720-3550 см-1- диапазон валентных колебаний групп -ОН; 3050-2850 см-1 - групп -СН, -СН2, -СН3 органических веществ). Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества (так, максимум 3710 см-1 свидетельствует о наличии групп -ОН, а максимум 3030 см-1 - о присутствии групп =С-Н ароматических структур).

Характеристические частоты функциональных

групп в органических соединениях

Однако, если исследуемый объект представляет собой не механические смеси, а является сложным химическим соединением, то указанные особенности инфракрасных спектров не обнаруживаются.

Число характеристических полос поглощения атомных групп, их интенсивность и положение максимумов, наблюдаемых на инфракрасных спектрах, дают представление о строении индивидуального соединения или о компонентном составе сложных веществ. Интенсивность полосы поглощения определяется величиной, численно равной энергии, которую поглощают атомные или функциональные группы образца при прохождении через них инфракрасных лучей. Важным диагностическим показателем полос поглощения является величина пропускания. Данный показатель и концентрация вещества в снимаемом объекте связаны обратной пропорциональной зависимостью, что используется для количественных определений содержания отдельных компонентов.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать твердую, жидкую фазы биологической массы. Этот метод позволяет изучать образец в целом, без его расчленения и предварительных химических обработок, а также использовать малые (до 10 мг) навески.

Инфракрасная спектроскопия широко применяется для анализа биологических жидкостей, в частности крови и ее фрагментов, а в последнее время для диагностики и прогнозирования различных заболеваний все в возрастающей степени используется ротовая жидкость или смешанная слюна, однако интерпретация полученных результатов осложняется в связи с многокомпонентностью объектов исследования.

При инфракрасной спектроскопии крови и слюны возможен количественный анализ только функциональных групп, входящих в основные компоненты в аналитических количествах. Поэтому анализ образцов данных жидкостей вызывает затруднения, т.к. по существу анализируется их водная основа

Кроме того, в последнее время метод находит все более широкое применение для характеристики конформационных и структурных изменений белков, липидов, фосфолипидов биомембран клеток, исследуемых в биоптатах, а также с помощью волоконно-оптических методик.

С помощью этого метода можно оценивать фармокинетику различных лекарственных препаратов. При сахарном диабете выявлены достоверно значимые изменения инфракрасного спектра крови Доказана возможность использования показателей инфракрасного спектра для ранней диагностики стоматологических заболеваний и прогнозирования кариеса зубов у детей. Проведено исследование быстрых изменений показателей инфракрасного спектра крови для прогнозирования, диагностики и определения степени тяжести остеопороза и эффективности его лечения. Доказана возможность использования инфракрасной спектроскопии для изучения процессов регенерации.

Инфракрасная спектроскопия применяется также и в судебном анализе для изучения митохондриального генома при идентификации личности и определении отцовства, т.к. идентифицируется генетический фокус DIS80, содержащий переменные числа тандемных дупликаций.

Для регистрации спектров используют классические спектрофотометры и фурье-спектрометры.

Исследовательский ИК спектрометр Varian Scimitar 1000 FT-IR

Основные части классического спектрофотометра - источник непрерывного теплового излучения, монохроматор, неселективный приемник излучения. Кювета с веществом (в любом агрегатном состоянии) помещается перед входной (иногда за выходной) щелью. В качестве диспергирующего устройства монохроматора применяют призмы из различных материалов (LiF, NaCl, KCl, CsF и др.) и дифракционной решетки. Последовательное выведение излучения различных длин волн на выходную щель и приемник излучения осуществляется сканирование поворотом призмы или решетки. Источники излучения - накаливаемые электрическим током стержни из различных материалов. Приемники: чувствительные термопары, металлические и полупроводниковые термосопротивления (болометры) и газовые термопреобразователи, нагрев стенки сосуда которых приводит к нагреву газа и изменению его давления, которое фиксируется. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой.

Достоинства приборов классической схемы: простота конструкции, относительная дешевизна. Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что сильно затрудняет работу в далекой инфракрасной области; сравнительно невысокая разрешающая способность (до 0,1 см-1), длительная (в течение нескольких минут) регистрация спектров.

В фурье-спектрометрах отсутствуют входная и выходная щели, а основной элемент - интерферометр. Поток излучения от источника делится на два луча, которые проходят через образец и интерферируют. Разность хода лучей варьируется подвижным зеркалом, отражающим один из пучков.

Блок-схема фурье-спектрометра:

1 – источник излучения; 2 – прерыватель; 3 – светоделитель; 4 – подвижное зеркало;

5 – неподвижное зеркало; 6 – система линз; 7 – кюветное отделение;

8 – детектор; 9 – аналого-цифровой преобразователь; 10 – контроллер;

11 – компьютер; 12 – цифровая печать; 13 – дисковая память.

Первоначальный сигнал зависит от энергии источника излучения и от поглощения образца и имеет вид суммы большого числа гармонических составляющих. Для получения спектра в обычной форме производится соответствующее фурье-преобразование с помощью встроенной ЭВМ.

Наиболее эффективное использование оборудования для инфракрасной Фурье спектроскопии возможно только при соответствующей подготовке пробы, предназначенной для анализа. При работе на инфракрасных Фурье спектрометрах можно использовать как традиционные способы пробоподготовки для инфракрасной спектроскопии, так и некоторые новые приемы, которые обусловлены прежде всего меньшим количеством вещества, достаточным для анализа и возможностью использования дополнительных устройств (приставок).

Достоинства фурье-спектрометра: высокое отношение сигнал: шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая (за секунды и доли секунд) регистрация спектра, высокая разрешающая способность (до 0,001 см-1). Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость.

Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, которые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра растворителя), изменение масштаба записи, вычисление экспериментальных спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и др. Кюветы для инфракрасных спектрофотометров изготовляют из прозрачных в инфракрасной области материалов. В качестве растворителей используют обычно ССl4, СНСl3, тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Твердые образцы часто измельчают, смешивают с порошком КВr и прессуют таблетки. Для работы с агрессивными жидкостями и газами применяют спец. защитные напыления (Ge, Si) на окна кювет. Мешающее влияние воздуха устраняют вакуумированием прибора или продувкой его азотом.

Для случая слабо поглощающих веществ (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в которых длина оптического пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал. Большое распространение получил метод матричной изоляции, при котором исследуемый газ смешивают с аргоном, а затем смесь замораживают. В результате полуширина полос поглощения резко уменьшается, и спектр получается более контрастным. Применение специальной микроскопической техники позволяет работать с объектами очень малых размеров (доли мм).

Подготовку твердых образцов для регистрации их инфракрасных спектров осуществляют двумя способами:

1. Суспензионный метод представляет собой растирание образца до мелкодисперсного состояния (размер частиц 2-7 мкм) и приготовление суспензии в иммерсионной жидкости с близким к образцу показателем преломления. При этом в качестве матрицы обычно используют вазелиновое масло, фторированные или хлорированные масла. Полученная полупрозрачная паста наносится с помощью шпателя на окно из оптического материала в виде тонкой равномерной пленки.

Наиболее часто в экспертной практике в качестве иммерсионной жидкости используется вазелиновое масло. Однако, спектр вазелинового масла имеет полосы поглощения в областях 2900, 1460, 1380 и 725 см-1. Эти полосы накладываются на полосы поглощения образца, компенсировать их можно либо с помощью кюветы сравнения, либо путем вычитания спектра вазелинового масла из суммарного спектра. На практике перфторуглеводородное масло используют при исследовании веществ в области 4000-1500 см-1 (не поглощает фторированное масло), а вазелиновое масло – для исследования в области 1500-400 см-1 (мало поглощает вазелиновое масло).

2. Прессование таблеток с галогенидами щелочных металлов – основной и наиболее универсальный способ пробоподготовки. Он заключается в тщательном перемешивании в агатовой ступке тонкоизмельченного образца с порошком KBr и последующем прессовании смеси в пресс - форме, в результате чего получается прозрачная или полупрозрачная таблетка. Для получения качественных спектров степень диспергирования вещества должна достигать размера частиц 2-7 мкм (сопоставимо с длиной волны инфракрасного излучения).

Иногда для облегчения растирания добавляют несколько капель перегнанного растворителя (четыреххлористого углерода или гексана), который испаряется при последующем растирании. Наилучшие результаты получаются при вакуумировании пресс - формы, что позволяет избавиться от включений воздуха в таблетки. Для таблеток можно использовать бромид калия для спектроскопии или квалификации не ниже химически чистого, но предварительно высушенный от воды. Сушку бромида калия следует проводить при t ≈ 600оС в течение не менее 6 часов и хранить его в эксикаторе с осушителем. Проводить такую тщательную подготовку необходимо, так как в противном случае получаемый спектр будет иметь широкие полосы адсорбированной воды в областях 3450 и 1630 см-1.

С таблеток диаметром 3, 5, 7 мм и более можно регистрировать спектр без дополнительных устройств. Таблетки диаметром 1 и 2 мм необходимо исследовать с использованием микрофокусировочного устройства. Если пресс – форма не позволяет получать таблетки диаметром 1-3 мм, то можно использовать специально изготовленный, например, из картона, круглый вкладыш с вырезанным в центре отверстием соответствующего диаметра. Таблетки диаметром 1-3 мм используют при исследовании микроколичеств (до 10-9 г) вещества.

Метод прессования таблеток с KBr целесообразно использовать для образцов, которые нерастворимы в обычных растворителях, аморфны или имеют устойчивую кристаллическую структуру и не содержат ионов, способных к обмену.

Известно, что ядра молекул вдали от фиксированных положений по отношению друг к другу находятся в непрерывном колебательном состоянии. Важная особенность этих колебаний в том, что они могут быть описаны ограниченным числом основных колебаний (нормальные моды). Нормальной модой называется колебание, при котором ядра осциллируют с одинаковой частотой и в одной фазе. Молекулы воды имеют три нормальные моды.

ν1 (ОН) ν 2 (ОН) ν3 (ОН)

3656,65см-1 1594,59 см-1 3755,79 см-1

Основные частоты колебания молекул воды

Движения ядер при колебаниях ν1 (ОН) и ν3 (ОН) происходят почти вдоль направления связей О-Н, эти моды обычно называют колебаниями растяжения связи (или δОН) или валентными колебаниями связи О-Н. При колебаниях ν2 (ОН) ядра Н движутся в направлении почти перпендикулярных связям О-Н, мода ν2 называется деформационным колебанием связи Н – О – Н или колебанием изгиба водородной связи. Мода ν3 называется ассиметричным валентным колебанием в отличие от симметричного валентного колебания ν1.

Переход молекулы воды из ее основного колебательного состояния в возбужденное описываемое с помощью моды ν2 соответствует инфракрасной полосе 1594,59 см-1.

Несмотря на то, что по исследованию инфракрасных спектров воды имеется большое количество публикаций, сведения о частотах колебаний и их отнесении не только не совпадают, но бывают и противоречивы. В спектре жидкой воды полосы поглощения значительно уширены и смещены относительно соответствующих полос в спектре водяного пара. Их положение зависит от температуры. Температурная зависимость отдельных полос спектра жидкой воды является весьма сложной. Кроме того, усложнение спектра в области валентных ОН-колебаний можно объяснить существованием различных типов ассоциаций, проявлением обертонов и составных частот ОН-групп, находящихся в водородной связи, а также туннельным эффектом протона (по эстафетному механизму). Такое усложнение спектра затрудняет его интерпретацию и отчасти объясняет имеющееся в литературе противоречие на этот счет.

Гидроксильная группа -ОН способна сильно поглощать спектр в инфракрасной области спектра. Вследствие свой полярности эти группы обычно взаимодействуют друг с другом или с другими полярными группами, образуя внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи. Гидроксильные группы, не участвующие в образовании водородных связей обычно дают в спектре узкие полосы, а связанные группы – интенсивные широкие полосы поглощения при более низких частотах. Величина сдвига частот определяется прочность водородной связи. В литературе имеются данные об отнесении полос поглощения в области основных частот (2,5 – 6,0 мкм (4000-1600см-1)), а также ближней (0,7-2,0 мкм (14300-5000см-1)) и дальней (20 –16 мкм (50-625 см-1)).

Наиболее изучена область основных частот. Для мономерной воды полосы 3725 и 3627 см-1 отнесены к симметричному и антисимметричному колебаниям ОН-группы, а полосы 1600 см-1 – к деформационному колебанию Н-О-Н . Следует отметить, что димеры воды могут иметь скорее циклическую структуру с двумя водородными связями (1), чем открытую (2).

\ О – Н Н H

Н – О / O . . . H – O

Структура димеров воды: 1 – циклическая; 2 – открытая

Для жидкой воды наблюдаются полосы поглощения и в других областях спектра. Наиболее интенсивные из них 2100, 710-645 см-1. При переходе от мономеров воды к димерам и тримерам максимум поглощения валентных колебаний связи О-Н сдвигается в сторону меньших частот. Напротив, для деформационных колебаний Н-О-Н наблюдается смещение в сторону более высоких частот. Полосы поглощения 3546 и 3691 см-1 были отнесены к валентным модам димеров (Н2О)2. Эти частоты значительно ниже, чем валентные моду ν1 и ν3 изолированных молекул воды (3657 и 3756 см-1 соответственно). Полоса 3250см-1 представляет собой обертоны деформационных колебаний. Между частотами 3250 и 3420 см-1 возможен Ферми-резонанс (этот резонанс представляет собой заем интенсивности одного колебания у другого при их случайном перекрывании).

Отнесение частот в спектре жидкой воды

Полоса поглощения при 1620см-1 отнесена к деформационной моде димера. Эта частота несколько выше, чем деформационная мода изолированной молекулы (1596 см-1). Сдвиг полосы деформационного колебания воды в сторону высоких частот при переходе от жидкого состояния к твердому приписывают появлению дополнительной силы, которая препятствует изгибу О-Н связи. Деформационная полоса поглощения имеет частоту 1645см-1 и очень слабо зависит от температуры. Она мало изменяется и при переходе к свободной молекуле при частоте 1595см-1. Эта частота мало изменяется и в растворах солей. Она оказывается достаточно стабильной, в то время как изменение температуры, растворение солей, фазовые переходы существенно влияют на все остальные частоты. Цундель (1971) предполагает, что постоянство деформационных колебаний связано с процессами межмолекулярного взаимодействия, а именно обусловлена изменением валентного угла молекулы воды в результате взаимодействия молекул друг с другом, а также с катионами и анионами.

Инфракрасные спектры поглощения воды

в области основных частот.

Трудности использования инфракрасной спектроскопии на практике являются не только техническими, но связаны также с отсутствием методики, позволяющей применить математический анализ при определении частот колебаний и отнесении их к той или иной химической связи.

На основе результатов инфракрасной спектроскопии можно разработать химически надежный, воспроизводимый, допускающий стандартизацию метод анализа водных систем. В этом отношении определенные преимущества представляет инфракрасная спектроскопия низкого разрешения, которая позволяет по флуктуации коэффициентов пропускания определить степень влияния, присутствующих в исследуемой системе веществ на структурную организацию водной основы растворов и биологических жидкостей.

Улучшение технико-экономических показателей дизелей является одной из основных проблем для судовладельцев. В процессе эксплуатации в смазочный материал попадают наряду с сажей, возникающей в результате сгорания, продукты окисления и деструкции масла, а также частицы износа двигателя. Повышение надежности механизмов и рациональное использование смазочных материалов зависит от ряда причин, среди которых большое значение приобретает качество используемых масел. В настоящее время большое значение приобретает использование современных инструментальных методов анализа.

Содержание механических примесей в большинстве случаев определяется стандартными методами, основанными на центрифугировании или фильтрации растворов рабочих масел в легких углеводородных растворителях, а также методами бумажной хроматографии и фотометрии в видимой области. Однако, каждый из выше указанных методов имеет свои недостатки. Например, если масло содержит хорошие диспергирующие присадки, большое количество сажистых загрязнений остается после центрифугирования в фугате; при использовании метода фильтрования на фильтре осаждается присадочный компонент, вследствие этого можно получить только представление о степени дисперсности нерастворимых загрязнений; фотометрия в видимой области спектра требует, как правило, разбавления исследуемой пробы, что приводит к возрастанию временных затрат и чревато ошибками. Метод электронной спектроскопии позволяет определить количество и размер частиц, однако, не подходит в силу технической сложности и длительности анализа. В связи с вышеуказанным фотометрический метод в инфракрасной области имеет ряд существенных преимуществ: экспрессность, хорошая воспроизводимость и сравнимость, отсутствие необходимости предварительной подготовки пробы для анализа и ограничений сортами и качеством смазочных масел.

Снимаются дифференциальные инфракрасные спектры с использованием кювет из бромистого калия с толщиной слоя 0,1 мм. Так как эксплуатационные масла, как правило, сильно загрязнены сажистыми отложениями, в целом весь инфракрасный спектр рабочего масла располагается выше, чем инфракрасный спектр свежего масла, причем это "поднятие" спектра пропорционально загрязнению рабочего масла. Для анализа применяются области длин волн, в которых влияние полос поглощения масла минимально. Наиболее удобно использовать волновое число 2000 см-1. Сравнение изменения поглощения на волновом числе 1704 см-1, определенного по методу базовой линии и вычитанием фона на волновом числе 2000 см-1 показало, что такое вычитание "фона" вполне правомерно и не искажает динамику накопления продуктов окисления в масле.

Изменение поглощения на волновом числе 1704 см-1,

определенное методом "базовой линии" и вычитанием "фона"

Аналогичные результаты были получены при оценке состояния сульфонатных присадок в масле. Это позволяет делать выводы о возможности определения содержания механических примесей в масле по поглощению на волновом числе 2000 см-1. Так как невозможно сравнивать абсолютные значения поглощения полос в инфракрасных спектрах рабочих масел (масла содержат различное количество механических примесей), для сравнения величин абсорбции из них вычитали "фон" (значение абсорбции на волновом числе 2000 см-1). Параллельно содержание механических примесей определялось с использованием стандартных методик (ГОСТ 6370 и метод "капельной пробы"). Содержание механических примесей С (масс. %) в масле определялось по формуле:

 - длина волны, мкм; l - толщина рабочего слоя кюветы, мкм (измерялась интерферометрически); А - абсорбция масла при длине волны .

Сравнение результатов, полученных данной методикой и с использованием метода центрифугирования показало хорошую воспроизводимость (коэффициент корреляции составил 0, 881). Время проведения одного анализа составляет около 15 минут.

Таким образом, использование метода инфракрасной спектроскопии для определения содержания общего загрязнения моторного масла является эффективным и позволяет быстро получить общую оценку загрязненности рабочего масла сажей, продуктами износа деталей двигателя и окисления углеводородной основы масла.

Инфракрасная спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток, как метод изучения строения молекул получила наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос.

Быстродействующие спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды и используются при изучении быстропротекающих химических реакций. С помощью специальных зеркальных микроприставок можно получать спектры поглощения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии.

Инфракрасная спектроскопия играет большую роль в создании и изучении молекулярных оптических квантовых генераторов, излучение которых лежит в инфракрасной области спектра. Методами инфракрасной спектроскопии наиболее широко исследуются ближняя и средняя области инфракрасного спектра, для чего изготовляется большое число разнообразных (главным образом двухлучевых) спектрометров.

Далёкая инфракрасная область освоена несколько меньше, но исследование инфракрасных спектров в этой области также представляет большой интерес, так как в ней, кроме чисто вращательных спектров молекул, расположены спектры частот колебаний кристаллических решёток полупроводников, межмолекулярных колебаний и др.

Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М. 1973.

Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М. 1987.

Карякин А.В. Кривенцова Г.А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях. М. 1973.

Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. Киев. 1991.

Привалов П.Л. Вода и ее роль в биологических системах.// Биофизика 1968. т.13. №1.

Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. М. 1976.

Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия: Пер. с англ. М. 1980.

Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. : Пер. с англ. Л. 1975.

Рахманин Ю.А., Кондратов В.К. Вода - космическое явление. Кооперативные свойства, биологическая активность. М. 2002.

Вербалович В.П. Инфракрасная спектроскопия биологических мембран. Наука. Казахская ССР. Алма-Ата.1977.

Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул, пер. с англ., М., 1957;

Кросс А., Введение в практическую инфракрасную спектроскопию, пер. с англ., М., 1961;

Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

Ярославский Н. Г., Методика и аппаратура длинноволновой инфракрасной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1957, т. 2.

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Число полос поглощения в спектре ИК излучения, их положение, ширина и форма, величина поглощения определяются структурой и хим. составом поглощающего в-ва и зависят от его агрегатного , темп-ры, давления и др. Поэтому изучение колебательно-вращат. и чисто вращат. спектров методами И. с. позволяет определять структуру молекул, их хим. состав, инерции молекул, величины сил, действующих между атомами в молекуле и др. Вследствие однозначности связи между строением и её мол. спектром И. с. широко используется для качеств. и количеств. спектрального анализа. Изменения параметров ИК спектров (смещение полос поглощения, изменение их ширины, формы, величины поглощения), происходящие при переходе из одного агрегатного состояния в другое, при растворении, изменении темп-ры, давления, позволяют судить о величине и хар-ре межмолекулярных взаимодействий. И. с. также находит применение в исследовании строения ПП материалов, полимеров, биол. объектов и непосредственно живых клеток. Быстродействующие спектрометры позволяют получать за доли с и используются при изучении быстропротекающих хим. реакций. Применение специальных зеркальных микроприставок даёт возможность получать спектры поглощения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии. И. с. играет большую роль в создании ИК лазеров и исследовании их спектров излучения. Использование в кач-ве источников излучения ИК лазеров с перестраиваемой частотой излучения позволяет получать ИК спектры с очень высоким разрешением (см. ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

(ИК-спектроскопия) - раздел оптич. спектроскопии, включающий исследование, получение и применение спектров испускания, поглощения и отражения в ИК-области спектра (см. Инфракрасное излучение). ИК-спектры получают и исследуют в принципе теми же методами, что и соответствующие спектры в видимой и УФ-областях, но с помощью спец. спектральных приборов, предназначенных для использования в ИК-области, снабжённых обычно зеркальной фокусирующей оптикой (см. Спектралъные приборы )и приёмниками, чувствительными к ИК-излучению (см. Приёмники оптического излучения). И. с. занимается гл. обр. изучением молекулярных спектров, т. к. в ИК-области расположено большинство колебат. и вращат. спектров молекул. Кроме того, в И. с. исследуются спектры излучения атомов и ионов, возникающего при переходах между близкими уровнями энергии (напр., зеемановскими подуровнями; см. Зеемана эффект), спектры отражения и поглощения кристаллов и др. твёрдых тел, ряда молекул, полупроводниковых и молекулярных лазеров и т. д. диссоциация молекул или изменение их структуры. Лишь для достаточно химически и термически стойких молекул (обычно состоящих из небольшого числа атомов) и стабильных хим. радикалов (напр., СО, СO 2 , Н 2 О, НСl, HF, CN, NO и т. д.) возможно спектров излучения (такие и радикалы используют в качестве активных сред в молекулярных ИК-лазерах).ИК-спектры селективного отражения применяются гл. обр. при исследовании спектров монокристаллов, неорганич. твёрдых веществ, минералов и т. п. вещество можно исследовать в разл. агрегатных состояниях, при различных темп-рах и давлениях, твёрдые тела в разл. состояниях. Абсорбц. И. с. позволяет получать спектры поглощения окрашенных и непрозрачных в видимой области веществ, ярко люминесцирующих веществ и пр. С помощью перестраиваемых по частоте ИК-лазеров регистрируют спектры поглощения со значительно более высоким, чем в традиц. классич. методах, разрешением. молекула, состоящая из N атомов, имеет 3N- 6 колебат. частот нормальных колебаний (при наличии симметрии нек-рые вырождаются) и 3 частоты вращения. В ИК-спектрах поглощения наблюдаются только те молекулярные частоты, при к-рых в процессе колебаний происходит изменение дипольного момента, т. е. отлична от нуля производная дипольного момента р по соответствующей нормальной координате q :Р pl Р q №0(см. Отбора правила ). Чисто вращательные полосы ИК-поглощения наблюдаются лишь для полярных молекул. Каждое вещество имеет определённый набор собств. колебат. и вращат. частот, поэтому ИК-спектр поглощения является индивидуальной характеристикой в-ва. v или длины волны К. В классич. абсорбц. И. с. от источника с непрерывным ИК-спсктром (рис. 1) пропускают

Рис. 1. Принципиальная схема однолучевого ИК-спектрометра: Q - источник непрерывного ИК спектра; М 1 - зеркало осветителя; М 2 - зеркало конденсора; С - кювета с исследуемым веществом; М - ; Si и S 2 - входная и выходная щели монохроматора; D - приёмник излучения; А - усилитель; I - измерительный или регистрирующий прибор.

через кювету с исследуемым веществом; прошедшее через вещество излучение направляют на входную щель монохроматора, а из выходной его щели - на приёмник излучения. Затем усиливается и измеряется или регистрируется графопостроителем в процессе сканирования. В лазерной И. с. измеряется зависимость интенсивности прошедшего через вещество излучения узкополосного ИК-лазера (чаще полупроводникового с перестраиваемой частотой) от частоты излучения лазера в процессе её перестройки. v)прошедшего через кювету с веществом излучения с длиной волны l (или волновым числом v (см~ 1) = 1/l) и величинами, характеризующими поглощающее вещество, даётся обобщённым Бугера-Ламберта-Бера законом: I(v )=I" 0 (v )exp3[-k(v)cd ], где k(v) - показатель поглощения, характеризующий поглощающее вещество, с - концентрация поглощающего вещества в растворе (с=1 для чистого вещества), d - толщина поглощающего слоя вещества (кюветы), I 0 (v )=b(v )I 0 (v ), I 0 (v ) - , падающего на кювету (перпендикулярно к её окнам), b(v ) -коэф. пропускания самой кюветы, учитывающий потери на отражение от окон кюветы. Обычно ИК-спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от v (или l) величин, характеризующих только поглощающее вещество:
коэф. пропусканияT(v )=I(v )/I" 0 (v ),
коэф. поглощенияA(v)=/I" 0 (v )=1-T(v ),
оптич. плотностиD(v )=lnI" 0 (v )/I 0 (v )=ln=k(v )cd,
и показателя поглощенияk(v )=D(v )/cd.
Величина D (v ) линейно связана с k (v ) и с, потому её обычно используют при количеств, анализе по спектрам поглощения. На практике закон Бугера - Ламберта - Вера также выражают в виде: , где e(v )=0,434k(v) - показатель ослабления. В этом случаеD(v )=lgI" 0 (v )/I(v)=e(v )cd.Закон Бугера - Ламберта - Вера справедлив при невысокой интенсивности потока падающего излучения, т. е. в том случае, когда населённость осн. уровня энергии меняется незначительно и Т(v )не зависит от величины I 0 (v ). Кроме того, пучок монохроматич. излучения, проходящего через кювету, должен быть параллельным, а молекулы поглощать излучение независимо друг от друга [т. е. k(v )не должно зависеть от с ]. Последнее допущение позволяет обобщить этот закон на случай смеси из неск. поглощающих веществ: I(v )=I" 0 (v )l0 -D(v ) , где

- суммаоптич. плотностей отд. компонентов смеси. Это соотношение лежит в основе количеств, абсорбц. молекулярного спектрального анализа (однако в нек-рых реальных смесях оно не выполняется). Oпределение Т (v) и соответственно A(v )и D (v) сводится к независимому последовательному измерению

Рис. 3. Спектр поглощения жидкого индена в области 2,5-16 мкм. Сверху указаны толщины кювет, при которых полученданный участок спектра.

величин I(v ) и I 0 (v ) и последующему определению I(v )/I 0 (v )=bT(v ). Для получения величины b разработан ряд методов. Двухлучевые спектрофотометры непосредственно регистрируют отношение I(v )/I 0 (v ).Осн. параметры ИК-спектра поглощения - число полос поглощения, их положение (определяемое v или l в максимуме поглощения), ширина и форма полос, величина поглощения в максимуме. Они определяются хим. составом и структурой молекул поглощающего вещества, а также зависят от агрегатного состояния вещества, темп-ры, давления, природы растворителя (в случае растворов) и др. ИК-спектры газообразных веществ при низких давлениях, полученные с помощью спектрометров высокой разрешающей силы, имеют характерную колебательно-вращат. структуру (рис. 2) с большим числом узких вращат. линий (см. Молекулярные спектры). Ширина отд. компонентов вращат.

Рис. 2. Спектр поглощения газообразного метана (СН 4) (вращательно-колебательная полоса в области l=3,3 мкм).

структуры составляет десятые п даже сотые доли см -1 и увеличивается с давлением газа. Колебательно-вращат. полосы в спектрах жидкостей расширяются и сливаются в широкие, практически бесструктурные полосы, ширина к-рых составляет 5-20 см -1 (рис. 3). Ширина полос в ИК-спектрах кристаллов несколько меньше, чем у жидкостей, что связано с упорядоченным расположением частиц в кристаллич. решётке. колебаниям молекул связано с большими трудностями. Однако колебат. полосы поглощения определ. хим. связей и групп атомов, как показал опыт, имеют близкие частоты независимо от того, в состав каких молекул они входят. Пределы характеристич. частот нек-рых хим. связей и групп атомов приведены в табл. Анализ ИК-спектров поглощения с помощью позволяет разложить сложные перекрывающиеся полосы поглощения на отдельные составляющие, к-рые затем уже легче отнести к определ. видам нормальных колебаний молекул.
* в - валентное, в а - валентное асимметричное, в с -валентное симметричное колебания; д -различные формы деформационных колебаний.
(в области 50-1000 мкм) и особенно спектры поглощения разреженных газов, полученные с помощью приборов высокой разрешающей силы, в т. ч. с помощью перестраиваемых лазеров, применяются для определения структуры молекул, их моментов инерции и величин дипольных моментов, энергии межатомных взаимодействий, механических коэф. ангармоничности, вращательных постоянных и пр. Характеристичность частот колебаний позволяет проводить анализ сложных органич. соединений и особенно неизвестных соединений. И. с. применяется для анализа изомеров (рис. 4, см. Изомерия молекул), для исследования строения полупроводниковых материалов, полимеров, биол. объектов и непосредственно живых клеток. И. с. играет большую роль в создании и изучении молекулярных ИК-лазеров. Быстродействующие ИК-спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды и используются при изучении быстропротекающих хим. реакций. С помощью спец. спектральных приборов можно получать спектры поглощения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии. В случае сильно поглощающих веществ, из к-рых не удаётся создать тонкий слой, для получения спектров ИК-поглощения применяются методы нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).Для получения ИК-спектров поглощения используется большое число разл. спектрометров. Спектрометры с призменными монохроматорами позволяют получать спектры с разрешением dv ~l-3 см -1 и применяются лишь для исследования спектров конденсированных сред. Серийные спектрометры с дифракц. монохроматорами дают возможность получать спектры с разрешениемдо dv ~0,2 см -1 , уникальные дифракц. спектрометры - dv ~0,02-0,05 см -1 и применяются для исследования спектров разреженных молекулярных газов. Разрешение Фурье спектрометров может достигать dv ~0,005 см -1 . При использовании перестраиваемых по частоте лазеров спектральное разрешение ИК-спектров

Рис. 4. Спектры поглощения о-, m- и р-изомеров жидкого крезола; стрелками отмечены характеристические полосы поглощения отдельных изомеров.

поглощения определяется шириной линии генерации лазера; при использовании полупроводниковых лазеров оно достигает dv ~10 -3 -10 -4 см -1 , а газовых лазеров - несколько выше, хотя при этом область перестройки частоты обычно невелика. Нек-рые ИК-спектрометры имеют встроенную мини-ЭВМ, к-рая используется при регистрации и автоматич. обработке ИК-спектров: определения частот полос поглощения, их интенсивностей и др. С 70-х гг. в И. с. получил распространение метод фотоакустической спектроскопии для получения ИК-спектров поглощения газов, твёрдых тел и особенно дисперсных сред. Субмиллиметровая спектроскопия). Лит.: Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул, пер. с англ., М., 1957; Применение спектроскопии в химии, пер. с англ., М., 1970; Кросс А., Введение в практическую инфракрасную спектроскопию, пер. с англ., М., 1961; Прикладная инфракрасная спектроскопия. [Сб. ст.], под ред. Д. Кендалла, пер. с англ., М., 1970; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения. Сб. ст., пер. с франц., англ., М., 1972; Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию, М., 1979. В. И. Малышев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Цель работы : научиться расшифровывать спектр минералов, освоить навыки качественного анализа минералов.

Приборы и принадлежности : спектрофотометр, картотека спектров минералов.

Инфракрасная спектроскопия. Общие понятия

Спектроскопия - это наука о взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, которое даёт информацию о самом веществе, атомах и молекулах, составляющих вещество, о его строении и свойствах. Спектроскопия использует весь диапазон электромагнитного излучения, включая гамма - лучи, рентгеновские лучи, инфракрасные лучи, видимые и ультрафиолетовые лучи, микроволновое излучение и радиочастоты. Метод абсорбционной спектроскопии основан на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

В зависимости от объекта исследования спектроскопия подразделяется на атомную и молекулярную. Атомная спектроскопия изучает строение и свойства атомов, молекулярная - строение и свойства молекул. Методом спектроскопии является спектральный анализ. В спектральных методах анализа используется способность атомов и молекул поглощать и испускать электромагнитное излучение.

Инфракрасная спектроскопия - раздел спектроскопии, который включает в себя получение и изучение инфракрасных спектров. Инфракрасная спектроскопия занимается, главным образом, изучением молекулярных спектров испускания, поглощения и отражения, так как в инфракрасной области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Инфракрасная спектроскопия является такой же специфической характеристикой, как отпечатки пальцев человека. По спектрам вещество может быть идентифицировано, если его спектр известен. Метод инфракрасной спектроскопии позволяет определить состояние воды в минерале, характер изоморфных примесей, степень структурной упорядоченности, отнесение минералов к определённому структурному типу и др.

Основные характеристики электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение имеет следующие основные параметры: длина волны λ, частота ν или волновое число и соответствующая им энергия излучения Е.

Длина волны есть расстояние, которое проходит волна за время одного периода. Основными единицами измерения длин волн в УФ и видимой области служат нанометры (1нм = 10 -9 м), в ИК-области - микрометры (1 мкм = 10 -6 м). Длина волны зависит от показателя преломления среды, в которой распространяется излучение. Скорость распространения излучения в различных средах различна, поэтому для характеристики определённого участка спектра используют частоты или волновые числа, которые не зависят от среды.

Частота излучения n есть число колебаний в одну секунду; она равна отношению скорости распространения излучения (скорости света с) к длине волны .

Частота измеряется в обратных секундах с -1 или герцах (1Гц = с -1).

Волновое число показывает, какое число длин волн приходится на 1 см пути излучения в вакууме и определяется соотношением . Размерность волновых чисел - см -1 . Волновое число связано с частотой излучения: , где с - скорость света в вакууме (с ≈ 3× 10 8 м/с).

Таблица 3.1

Длины волн электромагнитного излучения

Вид излучения	Диапазон длин волн
Гамма-излучение
Рентгеновское
Ультрафиолетовое

Инфракрасное	760 нм - 300 мкм
Микроволновое	300 мкм - 300 мм
Радиоволны	От 300 мм до нескольких километров

Энергия излучения , где h - постоянная Планка (h = 6,62×10 -31 Дж× с.). Набор длин волн (или частот) представляет собой спектр излучения. Деление электромагнитного спектра на ряд областей (табл. 1.1) не является резким и связано, главным образом, со способом получения и регистрации излучения различных длин волн (или частот) и с использованием различных оптических материалов.

Молекулярные спектры. Метод ИК-спектроскопии

Оптические спектры молекул получаются при изменении трех видов внутренней энергии молекул: энергии электронов; энергии колебания атомов в молекуле относительно некоторого положения равновесия; энергии вращения всей молекулы, подобно волчку, вокруг своей собственной оси, то есть

Е=Е эл +Е к +Е вр.

Каждому из этих видов внутренней энергии для молекул данного вещества соответствует свой набор энергетических уровней. Расстояние между уровнями, их количество и относительное расположение полностью определяется строением молекул вещества.

Возбуждая тот или иной вид внутренней энергии молекул, получают молекулярные спектры: вращательные; колебательные; электронные.

Для возбуждения вращательного спектра нужна небольшая энергия-0,005 - 0,025 эВ, для колебания атомов в молекуле - 0,05 - 0,5 эВ, для возбуждения электронных спектров - 5 - 10 эВ. Однако в чистом виде не удается получить электронные и колебательные спектры. Одновременно с возбуждением колебаний атомов изменяется и скорость вращения всей молекулы. Поэтому спектр получается колебательно-вращательным.

Анализ по молекулярным спектрам поглощения основан на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера.

Для получения спектров поглощения надо на вещество направить излучение, необходимое для возбуждения того или иного вида внутренней энергии. Возбуждение электронных спектров осуществляется ультрафиолетовым и видимым излучением, колебательные спектры требуют квантов ИК-излучения, вращательные - квантов микроволнового излучения или дальнего ИК-излучения.

В методе ИК-спектроскопии наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. Каждое вещество имеет свой колебательный спектр. Число полос поглощения в спектре, ширина, форма, интенсивность определяются структурой и химическим составом вещества. Это дает возможность по ИК-спектрам проводить качественный и количественный анализы вещества во всех агрегатных состояниях.

Качественный анализ

Для проведения качественного анализа проб по инфракрасным спектрам необходимо провести интерпретацию инфракрасного спектра. При этом необходимо сочетание экспериментальных данных с теоретическим расчетом. Изучение инфракрасных спектров веществ в настоящее время проводится двумя методами: выявлением характеристических частот и сравнением спектров сложных веществ со спектрами индивидуальных соединений.

Метод характеристических частот. Молекулы, имеющие одни и те же химические группы, часто имеют одинаковые частоты в спектре. Эти частоты называют характеристическими.

Расшифровка инфракрасного спектра производится следующим образом: идентификацию полос поглощения начинают с наиболее сильных и высокочастотных полос в области валентных колебаний ОН-связи. По таблицам характеристических частот полосу поглощения относят к колебанию конкретной связи. Наличие той или иной связи подтверждают деформационной полосой поглощения, относящейся к данной связи.

Метод сравнения. Идентификация неизвестного соединения по инфракрасному спектру осуществляется сравнением его спектра с эталонными спектрами. Для этого необходима обширная картотека эталонных спектров; при этом важнейшим фактором является стандартность условий их регистрации. В настоящее время имеются многочисленные атласы органических и неорганических соединений.

Идентификация веществ по инфракрасному спектру является полностью достоверной только при точном совпадении изучаемого спектра со спектром эталона по положению (частоте), форме и относительной интенсивности всех полос, то есть всей спектральной кривой.

Порядок выполнения работы

I часть:

Приготовить образцы минералов для снятия ИК-спектров.
Снять ИК-спектры выбранных вами минералов или изучить спектры снятых минералов.
Расшифровать спектры минералов.
Сделать отнесение полос, начиная с области валентных колебаний ОН-связи, затем деформационных колебаний. Найти в спектре полосы, ответственные за SiO-связи.
Найденные вами полосы поглощения сравните с картотекой минералов и определите снятый вами минерал.

II часть:

Получите снятые спектры известных минералов.
Расшифруйте спектры минералов, найдите характерные частоты для данного минерала.
Сделайте отнесение полос.
Составьте таблицы найденных вами частот, например:

Таблица частот в спектре мусковита и их отнесение

Мусковит

		Интерпретация

Таблица полос поглощения в ИК-спектрах минералов

Контрольные вопросы

Как получаются молекулярные спектры?
Качественный анализ с помощью метода ИК-спектроскопии.
Закон Бугера-Ламберта-Бера.
Как проводится количественный анализ по ИК-спектрам?
Как проводят интерпретацию спектров минералов и пород методом сравнения?
Что такое характеристические частоты?
Как проводится отождествление полос поглощения с помощью характеристических частот?
Какие характерные особенности имеют ИК-спектры слоистых минералов?
Как по валентным колебаниям ОН-связи в слюдах отличить мусковит от флогопита?
Как по ИК-спектру отличить гидратированные слюды от менее гидратированных?

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГБОУ ВПО "ВГУ")

Фармацевтический факультет

Кафедра фармацевтической химии и фармацевтической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Инфракрасная спектроскопия и ее практическое применение в фармацевтическом анализе

ВОРОНЕЖ 2014

Введение

Сущность метода инфракрасной спектроскопии

Ик-спектры поглощения органических соединений

2.1 Углеводороды

1.1 Предельные углеводороды

1.2 Алкены

1.3 Сопряженные углеводороды

2 Органические соединения с функциональными группами

2.1 Органические соединения, содержащие кислород

Характеристические частоты групп

Спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК)

Cпектроскопия с преобразованием Фурье

Методы и приемы подготовки проб в ИК спектроскопии

Заключение

инфракрасный спектроскопия проба фармацевтический

Введение

В связи с расширением фармацевтического рынка лекарственных препаратов требуются все более точные и информативные методы анализа. Необходимость применения физико-химических методов анализа, в частности спектральных, обусловлена требованиями 12-й фармакопеи РФ. Одним из перспективных методов анализа является ИК- спектроскопия .

Спектроскопия - раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии - для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, т.е. методами спектрометрии.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия характеризуется широкой информативностью, что создает возможность объективной оценки подлинности и количественного определения лекарственных веществ. ИК-спектр однозначно характеризует всю структуру молекулы. Различия в химическом строении меняют характер ИК-спектра. Важные преимущества ИК-спектроскопии - специфичность, быстрота выполнения анализа, высокая чувствительность, объективность получаемых результатов, возможность анализа вещества в кристаллическом состоянии. Методом ИК-спектроскопии можно проводить не только количественную оценку лекарственных веществ, но и исследование таких химических превращений, как диссоциация, сольволиз, метаболизм, полиморфизм и т.д. .

.Сущность метода инфракрасной спектроскопии

Инфракрасная спектроскопия- раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в инфракрасной области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы. Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрии строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др., поэтому инфракрасные спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений.

Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I0 и величинами, характеризующими поглощающее вещество, основана на законе Бугера-Ламберта- Бера: I = I0 e-ссl , т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

Инфракрасная спектроскопия имеет ряд преимуществ перед спектроскопией в видимой и ультрафиолетовой областях, так как позволяет проследить изменение всех основных типов связей в молекулах исследуемых веществ. При использовании инфракрасной спектроскопии для определения качественного и количественного состава природных смесей не происходит разрушение веществ, что позволяет применять их для последующих исследований. Как известно, при инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках. При этом следует отметить, что в процессе снятия инфракрасного спектра создаются помехи на определенных длинах волн, связанные с поглощением электромагнитного излучения связями растворителей О-Н и С-Н .

Однако если исследуемый объект представляет собой не механические смеси, а является сложным химическим соединением, то указанные особенности инфракрасных спектров не обнаруживаются.

Поглощение органических веществ в различных участках инфракрасного диапазона определяется входящими в состав молекулы химическими группировками, а точнее образующими их связями, поэтому метод позволяет суммарно определить родственные вещества, по характеристическим зонам поглощения. Инфракрасная спектроскопия широко применяется для анализа биологических жидкостей, в частности крови и ее фрагментов, а в последнее время для диагностики и прогнозирования различных заболеваний все в возрастающей степени используется ротовая жидкость или смешанная слюна, однако интерпретация полученных результатов осложняется в связи с многокомпонентностью объектов исследования.

В медицине инфракрасной спектроскопии в последние годы используют для определения некоторых веществ в биологических жидкостях: крови, моче, слюне, слезной жидкости, желчи, молоке, для идентификации некоторых витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Кроме того, в последнее время метод находит все более широкое применение для характеристики конформационных и структурных изменений белков, липидов, фосфолипидов биомембран клеток, исследуемых в биоптатах, а также с помощью волоконно-оптических методик.

С помощью этого метода можно оценивать фармакокинетику различных лекарственных препаратов. При сахарном диабете выявлены достоверно значимые изменения инфракрасного спектра крови, доказана возможность использования показателей инфракрасного спектра для ранней диагностики стоматологических заболеваний и прогнозирования кариеса зубов у детей. Проведено исследование быстрых изменений показателей инфракрасного спектра крови для прогнозирования, диагностики и определения степени тяжести остеопороза и эффективности его лечения. Доказана возможность использования инфракрасной спектроскопии для изучения процессов регенерации. Инфракрасная спектроскопия применяется также и в судебном анализе для изучения митохондриального генома при идентификации личности и определении отцовства .

.Ик-спектры поглощения органических соединений

При исследовании органических соединений обычно используют поглощение инфракрасного излучения в области 2-50 мкм (5000-200 см-1).

Для получения ИК-спектров используются оптические приборы, в которых применяются тепловые источники и приемники излучения, а материалом призм служат галоидные соли (LiF, CaF2, NaCl, KBr, Csl). В современных приборах солевая оптика заменена дифракционными решетками.

При записи ИК-спектров поглощения параметром длины волны являются микроны (мкм) или частоты в обратных сантиметрах (см-1). Интенсивность выражается в процентах пропускания или поглощения и лишь в некоторых случаях в оптической плотности.

Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и твердых соединений. Для измерения спектров газообразных соединений используются специальные газовые кюветы. Жидкие соединения наносят в виде пленки на пластинки из материала, прозрачного в исследуемой области (например, КВr, NaCl, Csl, KCl). Из твердых веществ приготовляют суспензию в вазелиновом масле, которую помещают между солевыми пластинками. Нужно иметь в виду, что само вазелиновое масло сильно поглощает при 3000-2800 см-1, 1460 и 1380 см-1. Поэтому для исследования поглощения веществ в этой области вместо вазелинового масла используют пергалоидные углеводороды. Можно получить спектры твердых веществ, запрессовывая их с бромистым калием и снимая спектр полученной пластинки. Однако иногда вещество взаимодействует с бромистым калием, что приводит к искажению спектра. Инфракрасные спектры могут быть измерены и для растворов. Поскольку не имеется растворителей, прозрачных по всей области спектра, то обычно измерения ИК-спектров растворов делаются только для узких областей. Для исследования водных, кислых и щелочных растворов используют кюветы из водонерастворимых материалов (флюорит, кремний, германий и другие материалы, прозрачные в ИК-области). Зависимость частоты колебаний от силовой постоянной и массы атомов позволяет оценить положение полос поглощения отдельных групп.

Силовые постоянные деформационных колебаний существенно меньше силовых постоянных валентных колебаний, поэтому полосы деформационных колебаний располагаются в области меньших частот.

На рисунке 2 приведены области поглощения структурных элементов органических соединений.

Рис. 1. Поглощение некоторых растворителей при толщине слоя 0,1 мм

Рис. 2. Области поглощения некоторых структурных элементов

В область 1400-900 см-1 попадают полосы поглощения, отвечающие колебаниям групп С-С, С-О, С-N, а также многие деформационные колебания. В результате сильного взаимодействия этих колебаний отнесения полос поглощения к отдельным связям невозможны, однако весь набор полос поглощения в этой области является индивидуальной характеристикой соединений. Эта область поэтому получила название области?отпечатков пальцев? .

Рис. 3. ИК-спектры поглощения изомерных гексанов: а - к-гексан; б - 2-метилпентан.

По ИК-спектрам в области?отпечатков пальцев? можно идентифицировать даже изомерные углеводороды, определение которых другими путями вызывает большие затруднения. Примером могут служить спектры двух изомеров гексана, приведенные на рис. 3 .

1 Углеводороды

1.1 Предельные углеводороды

ИК-спектры углеводородов характеризуются появлением полос поглощения, обязанных колебаниям связей С-С и С-Н.

Полосы углеводородов, связанные с характеристическими частотами С-? (метальные, метиленовые и метановые группы), находятся в трех областях: 3000-2800, 1400-1300 и около 700 см-1.

Поглощение в области 3000-2800 см-1 обусловлено валентными колебаниями С-Н. Оно проявляется в виде сложной полосы поглощения, в которой пики при 2962 и 2872 см-1 принадлежат колебаниям метильной группы (асимметричные ?AS и симметричные - ?S), а пики при 2926 и 2853 см-1 относятся к валентным колебаниям метиленовой группы (?AS и ?S).

Положение этих полос поглощения хорошо сохраняется у всех типов алифатических углеводородов. Интенсивности полос зависят от числа метиленовых и метильных групп в молекуле углеводорода. Метиловая группа С-? имеет относительно слабую полосу поглощения. ?CH около 2890 см-1 , которая перекрывается интенсивными полосами поглощения групп СН2 и СН3.

Поглощение в области 1400-1300 см-1 и около 700 см-1 обусловлено деформационными колебаниями С-Н-связей. Метильная группа имеет как симметричные, так и асимметричные деформационные колебания. Полоса при 1460 см-1 отвечает асимметричному деформационному колебанию метильных групп, полоса 1380см-1 - симметричному колебанию. Расщепление этой полосы в дублет может служить признаком гемдиметильной группы. Для метиленовых групп характерны четыре типа деформационных колебаний: ножничные, веерные, крутильные и маятниковые. Полоса поглощения, отвечающая ножничным колебаниям метиленовых групп, находится при 1467 см-1. Полосы 1467 см-1 метиленовой и 1460 см-1 метильной групп накладываются, и в спектрах разветвленных углеводородов трудно различимы. В нормальных углеводородах при n>5 полоса метильной группы при 1460 см-1 проявляется, в виде плеча на полосе 1467 см-1. Маятниковые колебания метиленовых групп находятся в области 790-720 см-1. Положение их определяется длиной углеродной цепи. Так, для С2Н5 частота маятниковых колебаний 790-770 см-1, для С3H7 она имеет значение 743-734 см-1. Для n=4 соответствующая полоса наблюдается при 725-720 см-1 (для твердых образцов иногда в виде дублета). Маятниковые колебания СН2-групп могут быть использованы для обнаружения полиметиленовых цепочек. Полосы, отвечающие крутильным и веерным колебаниям метиленовых групп и деформационным колебаниям метановых групп, располагаются в области 1300 см-1; для идентификации используются редко вследствие своей недостаточной характеристичности и малой интенсивности. Интенсивности полос поглощения деформационных колебаний метиленовой группы возрастают линейно с увеличением числа групп СН2. Полосы поглощения, отвечающие колебаниям скелета, относительно мало интенсивны, проявляются в двух областях: 1100 - 700 см-1 и ниже 500 см-1. Первая область связана с валентными колебаниями углеродного скелета, вторая - с деформационными. Экспериментальные исследования большого числа углеводородов показали, что при наличии в молекуле изопропильной группы в спектре появляются полосы при 1170 и 1145 см-1, трет- бутильной - при 1255 и 1210 см-1, в присутствии четвертичного атома углерода наблюдается поглощение при 1215 и 1195 см-1. Эти данные могут быть приведены только как свидетельство в пользу присутствия указанных групп, но не как однозначное доказательство.

Деформационные колебания углеродного скелета, находящиеся в области ниже 500 см-1, в ИК-спектрах практически не исследованы.

2.1.2 Алкены

Введение кратной связи в молекулу органического соединения приводит к появлению полос поглощения, характеризующих эту связь, и изменяет положение полос поглощения групп, непосредственно связанных с ней. В моноолефинах с валентными колебаниями С = С связана полоса поглощения в области 1680-1640 см-1. Это колебание не является строго валентным, поскольку наряду ? растяжением связи С = С происходит изменение валентных углов ?-С = С. В центросимметричных этиленовых соединениях колебание ?С=С неактивно вследствие запрета по симметрии (так как симметричные колебания происходят без изменения дипольного момента), в несимметричных молекулах интенсивность полосы поглощения увеличивается по мере смещения двойной связи наконец цепи. Положение полосы валентного колебания С = С внутри интервала 1680-1640 см-1 зависит от степени замещения у связи С = С и геометрии молекулы.

Положение полосы поглощения связи С = С в циклоалкенах зависит от того, является она эндо- или экзоциклической. Для эндоциклической частота ?С=С несколько возрастает по мере увеличения угла в цикле, для экзоциклической связи С = С частота ?С=С возрастает с увеличением напряженности циклов.

Частота валентных колебаний =С-? наблюдается при 3010-3095 см-1, причем значение ?=C-H определяется степенью замещения: для =CHR характерно колебание с ?=3040-3010 см-1, для группы =GH2 появляется колебание с частотой 3095-3075 см-1. Полосы плоских деформационных колебаний связей =С-? мало интенсивны, расположены в области деформационных колебаний метиленовых и метальных групп и для целей структурного анализа обычно не используются. Напротив, полосы неплоских деформационных колебаний ?-С = С-? в спектрах алкенов являются весьма характерными, располагаются в области 1000-800 см-1 и достаточно интенсивны. Поглощение при 970-965 см-1 характерно для трансизомера.

По поглощению в области 1000-800 см-1 можно с хорошей степенью достоверности определить концевые винильную R-СН =СН2 и метиленовую группы R2C = СН2. На колебание остальной части молекулы алкена кратная связь не оказывает существенного влияния.

2.1.3 Сопряженные углеводороды

Сопряжение двух связей С=С приводит к появлению двух полос поглощения в области 1650-1600 см-1. Расщепление объясняется механическим взаимодействием и изменением форм нормальных колебаний. Интенсивность полос повышена по сравнению с интенсивностью поглощения соответствующего несопряженного соединения. У полиенов в этой области появляется несколько полос, иногда сливающихся в одну широкую, причем с увеличением числа сопряженных связей полосы поглощения смещаются в сторону меньших частот.

Рис.4. Спектр поглощения клотримазола

При сопряжении двойных связей с ароматическим кольцом смещение полосы С = С обычно меньше, чем при сопряжении алифатических связей. Интенсивность полосы сильно увеличивается наряду с увеличением интенсивности полос поглощения скелетных колебаний ароматического кольца в области 1600-1500 см-1.

Особенно сильное взаимодействие колебаний происходит в случае кумулированных связей; в колебании участвуют все три атома углерода алленовой группировки, давая две полосы поглощения: интенсивную около 1950 см-1 (?AS) и слабую вблизи 1050 см-1 (?S) .

2.2 Органические соединения с функциональными группами

Введение функциональных групп приводит к существенному изменению ИК-спектра соответствующего углеводорода. Так же как и для углеводородов, набор полос в области 1400-700 см-1 является индивидуальной характеристикой каждого вещества. Кроме того, в спектре появляются полосы, специфичные для каждой функциональной группы.

2.2.1 Органические соединения, содержащие кислород

Наиболее характерные полосы поглощения появляются в областях 3600-3000 см-1 (валентные колебания О-Н-группы) и 1400-1000 см-1 (колебания, связанные с группировкой С-О-Н). Валентные колебания О-? являются характеристическими, поскольку в них принимает участие легкий атом водорода. Они наблюдаются в широком интервале частот (3600-2500 см-1), что связано со способностью гидроксильной группы образовывать водородные связи. Образование водородной связи влияет на положение и форму полос валентных колебаний ОН.

Свободная, неассоциированная гидроксильная группа спиртов и фенолов имеет узкую полосу поглощения в области 3670-3580 см-1. Эта полоса обычно наблюдается в разбавленных растворах гидроксилсодержащих соединений в инертных растворителях. Идентификация полос свободной ОН-группы не вызывает затруднений, так как другие основные колебания не дают полос в этой области, а интенсивность обертонов намного ниже.

Рис.5. Спектр поглощения этанола

Участие гидроксильной группы в образовании межмолекулярных водородных связей проявляется в смещении полосы поглощения в сторону меньших частот и значительном увеличении ее интенсивности. Образование водородных связей между молекулами спирта приводит к появлению димеров и полиассоциатов. Для димеров характерно возникновение резкой полосы поглощения в области 3550-3450 см-1 в спектре полиассоциатов наблюдается широкая полоса в области 3400-3200 см-1. Характерным признаком межмолекулярных водородных связей является изменение характера спектра в области 3600-3200 см-1 при изменении концентрации гидроксилсодержащего соединения в инертном растворителе (рис. 6): при малых концентрациях вещества в спектре имеется узкая полоса поглощения, отвечающая свободной гидроксильной группе (рис. 6,а). Увеличение концентрации приводит к появлению димеров и полиассоциатов и в спектре, наряду с полосой свободной ОН-группы появ-ляется поглощение в более длинноволновой области (рис. 6,б). Дальнейшее увеличение концентрации сопровождается возрастанием интенсивности поглощения полосы связанной ОН-группы и уменьшением интенсивности полосы свободной гидроксильной группы (рис. 6, в, г).

Рис. 6. ИК-спектры поглощения гидроксилсодержащего соединения при концентрации спирта в CCl4: а- 0,01 М; б - 0,1 М; в - 0,2 М; г-1,0 ?

Образование межмолекулярных водородных связей с полярными соединениями, такими, как эфиры, кетоны, амины и др., сопровождается смещением полосы ?OH в область 3550-3450 см-1. Одновременно наблюдается и небольшое смещение полос поглощения группы донора электронов (10-20 см-1) в низкочастотную область. Участие ОН-группы во внутримолекулярной водородной связи приводит к появлению узкой полосы поглощения в области 3590-3420 см-1. Водородная связь хелатного типа проявляется в виде очень широкой размытой полосы поглощения в области 3200-2500 см-1. В отличие от межмолекулярных водородных связей характер поглощения соединений с внутримолекулярной водородной связью в инертных растворителях не зависит от концентрации.

Таким образом, ИК- спектры в области 3600-3000 см-1 дают возможность исследовать водородные связи в органических соединениях. Исследование зависимости положения и интенсивности полос поглощения в этой области от концентрации гидроксилсодержащего соединения позволяет определить характер водородной связи. Наличие полярной связи С-О вызывает появление интенсивной полосы поглощения в интервале 1200-1000 см-1 , обусловленной участием этой группы в скелетных колебаниях. Кроме того, в области 1400-1250 см-1 появляются интенсивные полосы поглощения, связанные с плоскими деформационными колебаниями ОН- группы. В литературе имеются работы, согласно которым можно различать первичные, вторичные, третичные спирты и фенолы по положению полос поглощения в области 1400-1000 см1. Однако для целей структурного анализа эти данные надо использовать осторожно. Простые эфиры. Колебания группы С-О-С простых эфиров не характеристичны. Однако в области 1200-1000 см-1 у простых эфиров появляется интенсивная полоса поглощения, связанная с участием в колебании полярной связи С-О-С. Положение этой полосы непостоянно, зависит от структуры эфира: так, в алициклических эфирах эта полоса расположена в области 1150-1060 см-1, а у ароматических и непредельных эфиров она наблюдается в области 1270-1200 см-1. Простая эфирная связь не может быть однозначно доказана по ИК- спектрам поглощения. Введение кислорода сказывается на положении полос поглощения метальных и метиленовых групп, непосредственно соединенных с атомами кислорода. Так, полоса симметричных валентных колебаний метильной группы алифатических эфиров (RОСН3) смещается до 2830-2815 см-1. В ароматических эфирах (ArОСН3) полосы поглощения СН3-группы наблюдаются при 2850 см-1. Валентные колебания С-?-связей при эпоксидном кольце проявляются при 3050-2990 см-1, колебания СН в ?,?-непредельных эфирах - при 3150-3050 см-1.

2.2 Фосфорорганические соединения

В спектрах фосфинов наблюдаются резкие полосы поглощения средней интенсивности в области 2440-2350 см-1, обусловленные валентными колебаниями связи ?-?. Сам фосфин поглощает при 2327 и 2421 см-1. Группа ?-? не участвует заметно в образовании водородных связей. Группа ?-Аг характеризуется полосами поглощения в интервалах 1450-1435 и 1005-995 см-1.Колебание, связанное с группой Р = О, появляется в области 1350-1175 см-1. Эта частота понижается на 50-80 см-1, если группа Р = О участвует в образовании водородных связей. В фосфорных соединениях, содержащих группу РООН, полоса поглощения ?OH проявляется в области 2700-2560 см-1 (широкая и нерезкая). С группировкой ?-О-Аr связывают полосы поглощения в области 1240-1190 см-1 и менее интенсивную полосу около 1030 см-1. Группировка ?-О-Alk вызывает поглощение в интервале 1050-995 см-1. В области 970-930 см-1 может проявиться полоса, обязанная колебанию группы ?-О-Р. Связи P = S вызывают поглощение в области 800-600 см-1. Для фосфорных соединений характерно появление интенсивного поглощения при 980 см-1, природа которого не выяснена.

Рис.7. Спектр поглощения тиамина гидрохлорида

2.3 Инфракрасные спектры полимеров

Полимер состоит из макромолекул, которые построены из целого числа относительно небольших повторяющихся единиц. Молекулярный вес полимера, как правило, составляет от 103 до 106 а.е. Содержание в полимерной молекуле множества атомов приводит к значительному количеству нормальных колебаний, поэтому следовало ожидать сложного вида ИК-спектра полимера. Однако для большинства полимеров характерны сравнительно простые спектры, что обусловлено следующими причинами. В реальных полимерах каждая повторяющаяся структурная единица (элементарная ячейка) характеризуется определенными нормальными колебаниями, которые могут изменяться в результате взаимодействия между собой соседних структурных единиц. Если взаимодействие мало или вообще отсутствует, их нормальные колебания имеют близкие частоты и проявляются в спектре в виде одной полосы поглощения (вырожденные колебания). Сильное взаимодействие приводит к изменению частот нормальных колебаний структурных единиц, что выражается в расщеплении полосы поглощения в спектре. В спектре полимерной цепи, состоящей из N связанных повторяющихся единиц, каждая полоса расщепится на N компонентов. Величина расщепления полосы зависит от силы взаимодействия структурных единиц. Взаимодействие этих единиц в случае характеристических колебаний отдельных функциональных групп обычно невелико, но оказывается значительны для колебания скелета. В результате усреднения близких частот колебаний отдельные пики в полосах поглощения исчезают, и спектр становится более простым .

Другая причина, приводящая к упрощению спектров, заключается в существовании строгих правил отбора, которые определяют активность молекулярных колебаний. По правилам отбора в инфракрасной области активны только те нормальные колебания, которые связаны с изменением электрического момента системы, причем правила отбора зависят не от силовых постоянных, а только от типа симметрии. В молекулах, не обладающих симметрией, все нормальные колебания активны.

Задачей качественного анализа полимеров по ИК-спектрам является определение хотя бы основных компонентов, когда их количество и концентрация в смеси неизвестны.

Необходимое условие применимости метода - наличие взаимно неперекрывающихся участков в спектрах веществ, образующих смесь. Для образца полимера, не содержащего примесей, методом ИКС можно установить с высокой степенью надежности не только основную структуру полимерной цепи, но даже незначительные ее детали, обусловленные способом получения или переработки. Например, индивидуальные спектры пластификаторов, антиоксидантов и других добавок используют для исключения из спектра полос поглощения, не относящихся к полимеру .

Наряду с качественным определением структуры молекул, ИК-спектроскопия дает возможность получать количественные данные о содержании тех или иных групп атомов, связей и их сочетание в молекуле. После определения количественного содержания молекулярных структур, входящих в полимер, находят его состав. Однако по сравнению с другими спектроскопическими методами (электронной и радиоспектроскопией) ИКС обладает в ряде случаев меньшей чувствительностью и точностью, что исключает возможность определения невысокого содержания функциональных групп.

Количественный анализ состава полимеров основан на том, что каждая из анализируемых мономерных групп имеет свое специфическое химическое строение, а следовательно, и свои характерные только для него полосы поглощения. Все вещества, кроме оптических изомеров, имеют различные ИК-спектры. Которые часто называют "отпечатками пальцев" молекулы. Метод ИКС почти универсален по своим возможностям; образцы могут быть жидкими, твердыми, газообразными, бесцветными или окрашенными. Наиболее достоверная информация может быть получена для высокомолекулярных образцов регулярной структуры с линейной конфигурацией цепи, когда вклад концевых групп, аномальных звеньев и нерегулярностей других типов минимален. В тех случаях когда не ставится задача установления взаимного расположения атомов в молекуле, а требуется определить лишь количественного содержании соответствующих групп, вопрос сводится к выбору аналитической полосы поглощения, измерению ее интенсивности и сравнению последней с интенсивностью той же полосы в эталонном соединении. В качестве аналитической выбирается по возможности изолированная полоса поглощения, наличие корой в спектре обусловлено присутствием в исследуемом образце искомого сочетания атомов. При получении полимеров, переработке, прогнозировании их работоспособности в изделиях необходим контроль за строением полимерных молекул, который в большинстве случаев может быть решен методами спектроскопии. Например, по ИК спектрам можно судить об относительном содержании того или иного типа ненасыщенных групп в полиолефинах, полученных разными методами полимеризации, о разветвленности их макромолекул, о строении полимерной цепи. Так, различие в строении молекул 1,4 - транс- и 1,4 - цис-полибутадиенов находит отражение в ИК спектре (рис. 5), и позволяет получить информацию о структуре каучука .

Рис. 8. ИК спектры поглощения полибутадиена с преобладанием 1,4 - цис - (1) и 1,4 - транс-изомера (2)

3. Инфракрасное излучение и колебания молекул

ИК-спектр поглощения - уникальное в своем роде физическое свойство. Не существует двух соединений, за исключением оптических изомеров, с различающимися структурами, но одинаковыми ИК-спектрами. В некоторых случаях, таких как полимеры с близким молекулярным весом, различия могут быть практически не заметны, но они всегда есть. В большинстве случаев ИК-спектр является?отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от спектров других молекул. Кроме того, что поглощение характеристично для отдельных групп атомов, его интенсивность прямо пропорциональна их концентрации. Таким образом, измерение интенсивности поглощения дает после простых вычислений количество данного компонента в образце. По своим возможностям метод почти универсален. Образцы могут быть жидкими, твердыми или газообразными. Они могут быть органическими или неорганическими, хотя неорганические вещества иногда не дают хорошо выраженных спектров. В обычных условиях для ИК-излучения прозрачны только одноатомные газы и неполярные молекулы (Ne, He, О2, N2, H2). Другое ограничение заключается в том, что такой распространенный растворитель, как вода, имеет в ИК-области очень сильное поглощение и, кроме того, растворяет окна кювет, в качестве которых используют пластинки из кристаллов солей. Метод ИК-спектроскопии обычно не очень чувствителен к примесям, если они не превышают 1%. Это, конечно, может быть как благом, так и бедствием, все зависит от точки зрения и решаемой проблемы. Подобным же образом может огорчить и тот факт, что положения характеристических полос поглощения для многих групп различны при переходе от одной молекулы к другой, но это подтверждает индивидуальность спектра поглощения и дает больше для понимания структуры молекулы, чем если бы полосы были неизменны.

Инфракрасным излучением называют излучение с длинами волн от 0,5 до 1000 мкм. В ИК- диапазоне проявляются переходы между колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Химические связи в молекулах испытывают колебательные движения. Колебательная энергия молекул квантована, то есть поглощаемая энергия изменяется не непрерывно, а скачкообразно. В результате колебательный (инфракрасный) спектр молекулы представляет собой ряд пиков (полос поглощения), отвечающих разным колебательным энергетическим переходам. Большинство колебательных переходов в молекулах органических соединений реализуется в диапазоне длин волн ? от 2,5 до 25 мкм. В единицах волновых чисел ? = 1/? (cм-1), величин обратных длинам волн, этот интервал составляет 4000-400cм-1. Именно в этом диапазоне волновых чисел осуществляют регистрацию ИК-спектров органических и природных соединений .

4. Характеристические частоты групп

Понятие "характеристической частоты группы" обобщает вкратце эмпирические наблюдения о том, что некоторые группы атомов - функциональные группы в органических соединениях - приводят к возникновению полос поглощения с характеристическими частотами. Эти группы ведут себя как бы изолированно и независимо от остальной части молекулы, так как их частоты поглощения мало меняются при переходе от одного соединения к другому. В простой двухатомной молекуле X-Y частота валентного колебания зависит от силы межъядерной связи и от масс обоих атомов. Поэтому в многоатомных молекулах появление характеристической частоты (X-Y) возможно при условии, что эта полоса относится к колебательному движению, принадлежащему лишь этой группировке X-Y. Но это условие не выполняется совершенно точно, так как при возбуждении основного колебания все атомы должны находиться в движении, хотя бы и незначительном. В действительности, остаток молекулы воздействует в небольшой степени (обычно около 5%) на положение характеристической частоты группы, а направление и величина сдвига частот имеют большое значение для структурного анализа, поскольку часто позволяют отнести поглощение к какому-нибудь определенному варианту функциональной группы. Так, карбонильная группа поглощает, как было найдено, в области 1820-1620 см-1, но насыщенные и ненасыщенные ациклические кетоны специфически поглощают около 1720 и 1680 см-1 соответственно. Этот вид эффекта "второго порядка", обусловленный внутримолекулярными факторами, имеет близкое сходство с "химическим сдвигом" ядерного магнитного резонанса, проявляемым метальными и метиленовыми группами. Инфракрасный спектр соединения зависит также от физического состояния. Эти влияния обычно невелики, но они могут стать большими, если появляются значительные внутримолекулярные силы, такие как водородная связь; в этом случае правильное отнесение частот групп требует повышенного внимания .

Характеристические частоты поглощения некоторых групп атомов.

4.1 Применение характеристических частот групп

В идеальном случае каждая функциональная группа должна иметь характеристическую область частот и интенсивностей, и до некоторой степени это происходит на самом деле. Например, основные колебания несвязанной гидроксильной группы и вторичного амина (OH) и (NH) поглощают вполне отчетливо при ~3610 и 3400 см-1 соответственно; группы с тройной связью могут быть обнаружены по появлению их валентного поглощения в области 2100 см-1, и хотя эти полосы являются иногда очень малоинтенсивными, они все же рассматриваются как характеристические, поскольку большинство органических веществ относительно прозрачно между 2700 и 1800 см-1. На практике полосы выше 1500 см-1 очень легко приписываются функциональным группам, таким, как ОН, NH, С=О и С=С, но ниже этой частоты спектр является более сложным и определяет скорее индивидуальную молекулу, чем ее функциональные группы. Поэтому при интерпретации инфракрасного спектра удобно сначала рассматривать область "функциональных групп" (выше 1500 см-1) и затем так называемую область "отпечатка пальцев" (ниже 1500 см-1). Это разделение не имеет абсолютного значения, так как значительное число важных характеристических частот на самом деле появляется ниже 1500 см-1, оно просто служит первым приближением. Сложность области "отпечатка пальцев" вытекает из интенсивного колебательного взаимодействия, которое имеет место между смежными связями С-С, С-N и С-О в молекуле, причем в результате эти многочисленные "скелетные" колебания представляют движение всего молекулярного фрагмента и не могут быть приписаны специфическим структурным единицам. С другой стороны, характеристическая природа частот функциональных групп обусловлена отсутствием взаимодействия между колебаниями, локализованными в данной частной группировке, и колебаниями остатка молекулы. Это значит, что колебательное движение, ответственное за поглощение света с характеристической частотой, относится главным образом к атомам рассматриваемой группы. Такое положение может возникнуть в двух случаях: во-первых, всегда, когда легкий атом, такой как водород или дейтерий присоединен к значительно более тяжелому атому, такому, как углерод; во-вторых, всегда, когда одна связь в молекуле намного сильнее, чем соседние связи .

5. Регистрация инфракрасных спектров

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых образцов. Для получения ИК-спектра органического или природного соединения необходимо всего от 1 до 10 мг вещества. Регистрация ИК-спектров осуществляется в кюветах изготовленных из бромида калия KBr или хлорида натрия NaCl - материалов, не поглощающих ИК-излучение в исследуемом диапазоне. ИК-спектры принято записывать в виде зависимости пропускания ИК-излучения (%) от волнового числа ? = 1/? (см-1). Поэтому максимумы пиков, отвечающие наибольшему поглощению ИК-излучения, обращены вниз. В большинстве случаев ИК-спектры органических и природных соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе CHCl3, четыреххлористом углероде CCl4, сероуглероде CS2, либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием под давлением мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда используют метод съемки ИК-спектра вещества в виде мелко растертой суспензии в вазелиновом или минеральном масле. В случае регистрации ИК-спектров соединений в растворах или суспензиях необходимо вычитать полосы поглощения растворителей или суспендирующей среды. При интерпретации ИК-спектров веществ, полученных в растворах в CHCl3 и CCl4, нужно учитывать, что в зонах собственного поглощения этих растворителей отнесение линий спектра может быть неоднозначным. При регистрации ИК-спектров органических и природных соединений часто наблюдаются линии поглощения примесей в образцах. Обычно это сигнал воды около 3450 см-1, колебания диоксида углерода (как примеси из атмосферы) при 2360-2325 см-1. Иногда образцы загрязнены силиконовыми смазками, имеющими полосы при 1625 см-1 и 1100-1000 см-1, или фталатами, проявляющимися в виде пика 1725 см-1. Следует помнить, что кюветы для ИК-спектроскопии, изготовленные из KBr и NaCl, чувствительны к воздействию следов воды и со временем мутнеют и выходят из строя. Поэтому необходимо тщательно сушить образцы и растворители перед съёмкой ИК-спектров .

6. Спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК)

Спектрометрия в ближней инфракрасной области (БИК спектрометрия, англ. NIR) - метод, основанный на способности веществ поглощать электро-магнитное излучение в диапазоне длин волн от 780 до 2500 нм (от 12500 до 4000 см-1).

Поглощение в БИК-диапазоне связано, как правило, с обертонами основных колебательных частот связей C-H, N-H, O-H и S-H и их комбинациями. Наиболее информативным диапазоном является область от 1700 до 2500нм (от 6000 до 4000 см-1) .

Анализ информации, извлекаемой из БИК-спектров, проводится с применением хемометрических алгоритмов, которые требуют создания первичного массива данных. В рамках применимости метода, БИК-спектрометрия позволяет прямо или косвенно проводить качественную и количественную оценку химических, физических и физико-химических характеристик анализируемого объекта, в том числе оценивать следующие характеристики:

гидроксильное и йодное число, степень гидроксилирования;

кристаллическую форму и степень кристалличности;

полиморфную форму или псевдополиморфную форму;

степень дисперсности частиц и другие.

БИК-спектрометрия обладает следующими возможностями:

простота подготовки проб или отсутствие подготовки;

быстрота измерений;

неразрушающий характер анализа;

возможность одновременной оценки нескольких параметров (показателей);

возможность проведения дистанционного контроля, в том числе в технологических потоках в режиме реального времени.

Приборы. Используют как специализированные БИК-спектрофотометры, так и другие спектрофотометры, способные работать в ближней ИК-области спектра.

БИК-спектрофотометры состоят из:

источника излучения, например, кварцевой лампы (лампы накаливания) или ее аналога;

монохроматора (дифракционная решетка, призма, оптико-акустический фильтр) или интерферометра (спектрофотометры с Фурье-преобразованием);

регистрирующего устройства - детектора (на основе кремния, сульфида свинца, арсенида индия, арсенида индия-галлия, теллурида ртути, кадмия, дейтерированного триглицина сульфата и др.);

устройства размещения образца и/или дистанционного оптоволоконного датчика.

Для размещения образцов используют стеклянные или кварцевые кюветы, флаконы, стеклянные стаканы, держатели капсул или таблеток и другие приспособления. Спектрофотометры могут быть оснащены кюветным отделением, интегрирующей сферой (интегрирующая сфера представляет собой оптический компонент, состоящий из сферической полости с покрытием из хорошо отражающего материала, сфера предназначена для получения спектров неоднородных образцов), внешними модулями для измерения пропускания сильно рассеивающих образцов, устройствами автоматической подачи образцов, оптоволоконными зондами. Выбор того или иного приспособления для анализа зависит от типа образца и выбранного способа измерения. Поэтому рекомендованы к использованию приборы, реализующие несколько подходов к измерению. Обработка данных и анализ полученных результатов проводится с использованием специального программного обеспечения. Для каждого режима измерения (пропускание, диффузное отражение и их комбинация) должна быть предусмотрена своя методика поверки, включающая проверку правильности установки длин волн и поверку фотометрического шума.

Проверка правильности установки длин волн. Для проверки правильности установки длин волн регистрируют спектр стандартного образца, имеющего характеристические максимумы и минимумы поглощения и сравнивают полученные значения длин волн с заявленными характеристиками. Для режимов пропускания и отражения для определения правильности установки длин волн наиболее распространено в качестве стандартных образцов использовать оксиды редкоземельных элементов, пары воды в атмосфере, метиленхлорид и другие. В приборах с Фурье-преобразованием шкала волновых чисел линейна во всем рабочем диапазоне и для проверки точности установки достаточно использования одного стандартного образца с контролем заявленных характеристик по одной полосе поглощения. Приборы других типов могут иметь нелинейный характер шкалы волновых чисел и требуют проверки заявленных метрологических характеристик не менее чем по трем пикам (один или несколько стандартных образцов) с охватом всего рабочего диапазона. Погрешность при установке длин волн должна быть не более ±1нм (или эквивалентная ему величина волнового числа) в диапазоне длин волн до 1900 нм и не более ±1,5 нм для диапазона длин волн?1900 нм.

Воспроизводимость установки длины волны должна соответствовать требованиям завода-изготовителя или требованиям нормативных документов, действующих на территории Российской Федерации.

Проверка фотометрической линейности. Для проверки фотометрической линейности регистрируют БИК-спектры стандартных образцов с известными значениями пропускания/отражения и строят графическую зависимость полученных значений пропускания/отражения от известных значений. Результатом построения такой зависимости должна являться прямая линии с пересечением в центре координат (0,00 ± 0,05) и тангенсом угла наклона прямой (1,00 ± 0,05). Для проверки фотометрической линейности в режиме отражения в качестве стандартных образцов используются полимеры, допированные углеродом или аналоги в количестве не менее 4 образцов в диапазоне значений отражения 10-90 %. Для проверки фотометрической линейности в режиме пропускания в качестве стандартных образцов используют фильтры в количестве 3 образцов со значениями пропускания 10-90 % и линию 100 % пропускания (регистрируют спектр пропускания пустого канала). Проверка фотометрического шума. Для оценки фотометрического шума при измерении пропускания записывают линию 100 % по воздуху; при измерении отражения регистрируют линию 100 % с применением подходящих стандартных образцов с отражающей способностью не менее 99 %. При этом под линией 100 % подразумевается измерение, при котором стандартный образец является измеряемым образцом и фоном одновременно. При высоких значениях поглощения проводят оценку фотометрического шума с применением стандартных образцов со значениями пропускания или отражения около 10 %. Фотометрический шум должен соответствовать требованиям спецификации производителя.

Способы измерения. БИК-спектр представляет собой зависимость соответствующей фотометрической величины (оптической плотности (А), пропускания (Т), коэффициента отражения (R) и производных величин) от длины волны или частоты излучения. При измерениях в БИК-области реализуются следующие способы:

измерение поглощения (или пропускания) при прохождении излучения через образец;

измерение излучения, отраженного или рассеянного от образца;

комбинация вышеуказанных способов.

Измерения всегда проводят относительно фона.

Измерение пропускания. Пропускание является мерой снижения интенсивности излучения при прохождении через образец. Этот принцип реализован в большинстве используемых спектрофотометров, и результат может быть представлен непосредственно в единицах пропускания (T) и/или оптической плотности (A). В качестве фона используют спектр воздуха или среды сравнения. Способ применим для твердых и жидких проб, в том числе для дисперсных систем. Специальной подготовки проб при измерении пропускания, как правило, не требуется. Для измерения спектра жидких образцов используют флаконы или кюветы с подходящей длиной оптического пути (обычно 0,5-22 мм), а также оптоволоконные датчики на пропускание. Диффузное отражение. В методе диффузного отражения измеряют коэффициент отражения (R), представляющий отношение интенсивности света, отраженного от образца (I), к интенсивности света, отраженного от фона, или обратную логарифмическую величину этого отношения (АR).

В качестве фона используют поверхность с высокой величиной R: пластины из золота, перфторированных насыщенных полимеров, керамические пластины и другие подходящие материалы. Способ используется для анализа твердых образцов с применением интегрирующей сферы или оптоволоконных датчиков, работающих в режиме отражения. В последнем случае, для воспроизводимости получаемых результатов, необходимо обеспечить стабильность условий проведения измерений, в частности относительную неподвижность датчика, степень нажатия и другие условия. Способ пропускания-отражения. Данный способ является комбинацией пропускания и отражения благодаря специальной конструкции кювет и датчиков, в которых излучение дважды проходит через образец, что позволяет анализировать образцы с низкой поглощающей и рассеивающей способностью.

В качестве фона используют спектр воздуха или среды сравнения.

Способ применим для жидких, в том числе негомогенных проб.

Для регистрации спектра исследуемый образец помещают в кювету с зеркалом или другим диффузным отражателем. Возможно использование оптоволоконного датчика, который погружают в образец.

Факторы, влияющие на результаты измерений.

Температура образца. Температура образца может влиять как на его пропускание, так и на его отражение. Контроль температуры важен при анализе термически лабильных объектов, в случае которых разница в несколько градусов может приводить к существенным спектральным изменениям: твердые образцы, содержащие воду, дисперсные системы, аморфные объекты и прочее.

Влага и остаточные количества растворителей. Наличие воды и остаточных количеств растворителей может оказать влияние на характер спектра и результаты анализа. Необходимость и условия высушивания должны быть указаны в частных фармакопейных статьях.

Толщина образца определяет степень пропускания. С увеличением толщины слоя наблюдается увеличение поглощения. Поэтому при сравнительных измерениях пропускания толщина образца должна быть одинаковой или учитываться. При измерении отражения толщина слоя не имеет принципиального значения, но нужно учитывать, что толщина слоя должна быть сопоставимой с глубиной проникновения луча в образец. В случае недостаточной толщины, за образцом ставится дополнительный рефлектирующий материал, например штамп с золотым покрытием.

Оптические свойства образца. При анализе твердых образцов необходимо обеспечивать максимально возможную однородность пробы, так как различия в плотности или размерах частиц сказываются на характере спектра. Спектры физически, химически или оптически гетерогенных образцов следует регистрировать либо с увеличенным размером пучка света, либо используя устройства, вращающие образцы во время измерений. При этом желательно проводить измерения каждого образца несколько раз с последующим усреднением спектров.

Полиморфизм. Разница в кристаллической структуре (полиморфизм) оказывают влияние на спектр, что позволяет отличать друг от друга кристаллические или аморфные формы на основании их БИК-спектра. При проведении анализа необходимо учитывать, эталонный спектр, какой кристаллической структуры (модификации) используется в методе анализа.

Возраст образцов. Свойства образцов могут изменяться во времени, и эти изменения могут обуславливать спектральные различия для одних и тех же образцов. Данные изменения должны быть учтены при построении калибровочных моделей, как для целей идентификации, так и для целей количественного анализа.

Идентификация.

Идентификация в БИК-спектрометрии основана на принципе идентичности спектров одного и того же вещества. Для проведения идентификации первоначально создают библиотеку эталонных спектров (далее по тексту "библиотека"), подбирают оптимальную математическую модель для обработки спектров и реализации алгоритмов их сравнения, то есть создают метод идентификации. Далее проводят валидацию библиотеки в совокупности с выбранной математической моделью (см. раздел "Валидация метода идентификации"). Идентификацию проводят путем сравнения спектра испытуемого образца со спектрами в библиотеке (см. раздел "Анализ данных"). Создание библиотеки спектров. Библиотека содержит совокупности спектров, несущие характеристическую информацию о каждом объекте анализа. Для каждой совокупности спектров при помощи соответствующих методов и алгоритмов определяют оптимальные параметры идентификации. Данные установки действительны для всей библиотеки. Для близких объектов, неразличимых при заданных установках, создаются подбиблиотеки, в которых могут быть использованы другие методы предварительной обработки спектров и алгоритмы анализа. Количество спектров в библиотеке не ограничивается, но при большом их количестве идентификация химически сходных веществ затрудняется. В библиотеку включают спектры веществ, соответствующих предъявляемым требованиям, подлинность которых подтверждена иными фармакпейными методами. Для учета возможных вариаций свойств каждого вида анализируемых объектов регистрируют спектры нескольких партий (серий). Регистрацию спектров проводят при соблюдении схожести условий измерений и первичной обработки, которые предварительно оптимизированы для всех анализируемых объектов и сохраняются постоянными при последующих измерениях. В библиотеку не включают спектры, являющиеся случайными выбросами. Методы предварительной обработки спектров. Рекомендуется предварительная обработка спектров с целью повышения информативности получаемых результатов и уменьшения влияния спектральных вариаций. Обработка первичных данных может включать вычисление первой или второй производной, векторную нормализацию, мультипликативную коррекцию рассеивания и другие методы, включая комбинированные. Следует учитывать, что математическая обработка может привести к потере информации или появлению ошибок-артефактов. Выбор математической модели и алгоритмов должен быть обоснован.

Анализ данных. Сравнение спектров испытуемых образцов при идентификации проводится с индивидуальными или усредненными спектрами в библиотеке, например, путем корреляционного анализа. Метод идентификации должен быть валидирован. Валидация метода идентификации призвана продемонстрировать его пригодность для предусмотренного анализа. Валидация метода предполагает проверку показателей специфичности и устойчивости. Специфичность показывает, что каждый объект, спектр которого содержится в библиотеке, будет положительно идентифицирован и будет отличаться от других объектов, при этом объекты, не включенные в библиотеку, идентифицируются отрицательно. Устойчивость показывает, что незначительные изменения условий (например, температура, влажность воздуха, вибрации, температура образца, степень уплотнения материала, глубина погружения зонда, толщина слоя и т. д.) не влияют на результаты и надежность идентификации.

Количественный анализ.

Разработка методики (калибровка). При разработке методики для количественного анализа (калибровки), изменения интенсивности поглощения или отражения в спектре коррелируются с изменениями свойств и/или состава веществ. При этом регистрируют спектры образцов с известными значениями их химического состава и/или их свойств, подтвержденными иными фармакопейными методами. Так как хемометрические алгоритмы не допускают экстраполяций, необходимо, чтобы область калибровочных концентраций была больше, чем ожидаемый диапазон анализируемых концентраций или свойств. Калибровочные образцы, по возможности, должны быть равномерно распределены внутри диапазона рабочих концентраций. Регистрацию спектров проводят при соблюдении параметров эксперимента, факторов, влияющих на результаты измерений и первичной обработки, которые предварительно оптимизированы для всех анализируемых объектов и сохраняются постоянными при последующих измерениях. В библиотеку не включают спектры, являющиеся случайными выбросами. Калибровочную модель оптимизируют при помощи подходящего способа предварительной обработки спектров, выбора спектральной области и математического алгоритма.

Методы предварительной обработки спектров. Проводят так же, как описано в разделе "Идентификация". Выбор математической модели и алгоритмов должен быть обоснован.

Анализ данных. Для калибровки может использоваться любой обоснованный математический алгоритм. Так как в области ближнего ИК-диапазона наблюдается сильное перекрывание полос поглощения, количественный анализ проводят с реализацией преимущественно хемометрических алгоритмов, например таких, как метод частных наименьших квадратов (МЧНК, англ. PLS), метода регрессии на главные компоненты (МРГК, англ. PCR) и других.

Валидация калибровочной модели. Валидация модели калибровки предполагает демонстрацию ее пригодности для решения поставленной задачи. При этом должны быть оценены такие показатели, как специфичность (селективность), линейность, рабочий диапазон концентраций (аналитическая область), правильность, прецизионность и устойчивость.

Для демонстрации специфичности существуют следующие подходы:

выбранный спектральный диапазон или полоса поглощения связана с анализируемым свойством объекта (например, концентрация, содержание влаги и т. д.) и коррелирует с фотометрической величиной;

демонстрируется, что изменения в составе плацебо в пределах рабочего диапазона концентраций не оказывают существенного влияния на результаты количественного измерения определяемого образца;

допускаются другие обоснованные подходы.

При валидации линейности должно быть показано, что результаты, полученные методом БИК с реализацией выбранного алгоритма обработки, сопоставимы с результатами, полученными другим стандартным методом. В качестве критерия приемлемости может быть выбран коэффициент детерминации (r2), коэффициент корреляции (r) или иной критерий, определяющий пригодность калибровочного метода. Диапазон рабочих концентраций определяет интервал, в котором соблюдаются заявленные валидационные показатели. Результаты испытаний, выходящие за пределы данного диапазона, являются неприемлемыми. Правильность методики должна доказывать отсутствие значимой систематической погрешности или обоснованность поправочных коэффициентов, вводимых в расчеты при ее наличии. Правильность оценивается путем сопоставления результатов, полученных с использованием модели калибровки и результатов, полученных стандартным методом. Прецизионность описывает степень рассеивания результатов анализа. При этом должна быть оценена как внутрилабораторная, так и межлабораторная прецизионность. Устойчивость методики количественного анализа показывает, что незначительные изменения условий не влияют на результаты количественного определения.

Выбросы. При анализе методом БИК следует учитывать, корректировать или обоснованно исключать резко выделяющиеся результаты как внутри рабочего диапазона, так и вне данного диапазона. Выбросы, находящиеся в пределах рабочего диапазона, подлежат дальнейшему исследованию и, в случае их информативной важности, могут быть включены в модель. Выбросы, находящиеся вне калибровочного диапазона, также подлежат анализу. Если полученные результаты подтверждены стандартным методом, спектры таких проб могут быть внесены в калибровочную модель с последующей ревалидацией метода.

Ревалидация. Прошедший валидацию и признанный пригодным для применения БИК-метод идентификации или количественного анализа нуждается в последующей периодической валидации (ревалидации). При установлении отклонений необходима корректировка метода. Необходимость ревалидации зависит от характера изменений.

БИК-метод нуждается в ревалидации, если:

в библиотеку добавляется новый объект (для качественного анализа);

есть предпосылки к изменению характеристик объектов, спектры которых уже включены в библиотеку (изменение технологии производства

(синтеза), состава, качества исходного сырья упаковки и т. д.);

обнаружены иные изменения и/или несоответствия в свойствах анализируемых объектов или методике.

Перенос методик. При переносе методик идентификации и количественного анализа с одного прибора на другой должны учитываться спектральные характеристики используемых спектрофотометров (разрешение, диапазон волновых чисел и др.). Спектрофотометры с высокой фотометрической точностью и точностью по волновому числу (например, Фурье-спектрофотометры), позволяют осуществить прямой перенос методов как качественного, так и количественного анализа без дополнительных манипуляций. Если прямой перенос невозможен, применимы различные математические способы для переноса моделей. После перенесения методов необходима их ревалидация.

Хранение данных. Хранение данных осуществляется в электронном виде в соответствии с требованиями программного обеспечения. При этом необходимо сохранять исходные спектры, не подвергшиеся математической обработке, с целью их возможного дальнейшего использования при оптимизации библиотек или методов .

Ряд исследований демонстрирует широкие возможности БИК-спектроскопии в отношении установления подлинности фармацевтических субстанций и лекарственных препаратов. Более того, в ряде случаев при соответствующей калибровке методик возможно также и установление происхождения (производителя) ЛС. Одним из основных преимуществ данного метода является практически отсутствующая пробоподготовка. Более того, в ряде случаев субстанции и препараты можно сканировать через упаковку. Диффузная отражательная спектроскопия в ближней ИК-области спектра является уникальным физическим методом, позволяющим осуществлять определение значительного числа показателей в продуктах сложного химического строения. Приборы, основанные на этом методе (ИК-анализаторы) и представляющие собой спектрометры нового поколения, являются наиболее перспективными экологически безопасными приборами для экспрессного определения широкого диапазона показателей качества пищевых и сельскохозяйственных продуктов и материалов. Слабая абсорбция в ближней ИК-области и использование диффузного отражения от анализируемой пробы делает возможным прямой анализ продукта, что практически исключает сложную пробоподготовку и существенно увеличивает измеряемые концентрации .

7. Cпектроскопия с преобразованием Фурье

Фурье-спектроскопия - метод оптической спектроскопии, позволяющий получать спектр в результате обратного Фурье-преобразования интерферограммы исследуемого излучения, зависящей от оптической разности хода двух лучей и представляющей собой Фурье-образ спектра (функцию распределения энергии излучения по частоте) .

Комплекс аппаратуры, выполняющий эти операции, называется Фурье-спектрометром (ФС). В него, как правило, кроме двухлучевого интерферометра входят осветитель, детектор излучения, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и ЭВМ.

Интерферометр содержит два взаимно перпендикулярных зеркала - неподвижное и подвижное, и полупрозрачную светоделительную пластину, расположенную в месте пересечения падающих пучков излучения и пучков, отраженных от обоих зеркал. Пучок излучения от источника, попадая на пластину, разделяется на два. Один из них направляется на неподвижное зеркало, второй - на подвижное зеркало; затем оба пучка, отразившись от зеркал, выходят через светоделитель из интерферометра в одном и том же направлении. Далее излучение фокусируется на образце и поступает на детектор излучения. Два пучка отличаются друг от друга оптической разностью хода, величина которой меняется в зависимости от положения подвижного зеркала. В результате интерференции пучков интенсивность результирующего светового потока периодически меняется (модулируется). Частота модуляции зависит от частоты падающего излучения и смещения подвижного зеркала .

Будучи значительно сложнее обычных спектрометров, Фурье-спектрометры обладают рядом преимуществ над другими спектральными приборами.

С помощью ФС можно регистрировать одновременно весь спектр. Благодаря тому, что в интерферометре допустимо входное отверстие больших размеров, чем щель спектральных приборов с диспергирующим элементом такого же разрешения, Фурье- спектрометры по сравнению с ними имеют выигрыш в светосиле, что позволяет: уменьшить время регистрации спектров; увеличить отношение сигнал-шум (так называемое "преимущество Фелгетта"); повысить разрешение; уменьшить габариты прибора.

Все ИК - спектрофотометры независимо от конструкции имеют общие элементы: источник излучения, оптическую систему, приемник, систему усиления сигнала.

Источники излучения. Идеальным источником для ИК - спектроскопии был бы монохроматический излучатель высокой интенсивности, непрерывно перестраиваемый в широком частотном интервале. Несмотря на то, что существуют лазеры с перестраиваемой частотой, в настоящее время наиболее распространенными являются нагреваемые до температуры 1200 - 1400 К источники с широкой областью излучения: глобар (карбид кремния), штифт Нернста (оксиды циркония, тория, иттрия), нихромовая спираль, платиновая проволока с керамическим покрытием. В дальней ИК области используется излучение стенок ртутной лампы низкого давления. Излучательная способность тепловых источников подчиняется закону Планка для излучения абсолютно черного тела. Ведутся исследования по применению терагерцового излучения (субмиллиметровый диапазон) в спектроскопии.

Оптические системы. Назначение оптической системы - направлять излучение источника по нужному пути с минимальными потерями. Использование отражательных зеркал с наружным покрытием (напыленный алюминий, просветляющие покрытия) позволяет избежать хроматической аберрации. Отражательная оптика может иметь плоские, сферические, параболические, эллиптические или тороидальные поверхности. Разработано большое число типов оптических систем спектрофотометров. Классические схемы спектральных приборов рассмотрены в специальной литературе

Приемники излучения. Приемники ИК излучения делятся на две группы: тепловые и фотоэлектронные. Первая группа включает термоэлементы (термопары), болометры (сопротивления с большим температурным коэффициентом), пневматические приемники, пироэлектрические приёмники. Пироэлектрические детекторы (на основе триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3 H2SO4) используются в интерферометрах из-за их высокой чувствительности в широкой ИК области. В основе работы фотоэлектронных полупроводниковых приемников, к которым относятся фоторезисторы и фотодиоды, лежит явление внутреннего фотоэффекта. В ближнем ИК диапазоне наиболее распространены фотодиоды на основе германия и твёрдого раствора InGaAs. В среднем ИК диапазоне применяются охлаждаемые жидким азотом фотодиоды на основе твёрдого раствора HgCdTe (MCT Mercury-Cadmium-Tellurium). Полупроводниковые детекторы для работы в низкочастотной области требуют охлаждения до низких (азотных или гелиевых) температур. Ширина запрещённой зоны определяет длинноволновую границу чувствительности фотоэлектронных приёмников.

Оптические материалы. Так как обычные оптические стёкла поглощают среднее и длинноволновое ИК излучение, то в качестве материалов для изготовления окон кювет и светоделителей используют монокристаллы различных солей. В спектроскопии внутреннего отражения применяют материалы с высокими показателями преломления. Некоторые особенности и преимущества спектроскопии с преобразованием Фурье заключается в том, что в классических спектрофотометрах регистрация спектра производится во времени при последовательном движении выходящего из монохроматора спектра по выходной щели. Этот процесс называется сканированием по волновым числам. Спектрометры с преобразованием Фурье принадлежат к типу многоканальных приборов, что приводит к значительному снижению энергетических потерь. Фелжетт и Жакино независимо друг от друга показали, что восстановление спектра с помощью Фурье-преобразования интерферограммы имеет большое преимущество перед последовательной, поэлементной регистрацией того же самого спектра. Используя один приемник, можно исследовать все спектральные элементы одновременно, подобно тому, как это делается в случае фотографической регистрации спектров. В связи с этим Фелжетт и назвал метод "мультиплексспектрометрией" .

8. Методы и приемы подготовки проб в ИК спектроскопии

Разнообразие приемов подготовки проб для съемки ИК-спектров почти беспредельно, и исследователь должен выбрать один из них, наилучшим образом подходящий для решения конкретной проблемы с учётом свойств исследуемого объекта. Здесь представлены некоторые основные приёмы пробоподготовки.

В связи с тем что физическое состояние образца может сильно влиять на его ИК-спектр, целесообразно заранее определить иерархию используемых приемов Последовательность их применения определяется поставленными перед исследователем задачами. Например, в лаборатории, проводящей химические работы общего характера, спектры жидких нелетучих проб целесообразно снимать в виде жидких плёнок или раздавленных между солевыми пластинками капель. ИК спектры летучих жидкостей регистрируют в тонких кюветах или в виде растворов, если вещество растворимо, при этом необходимо учитывать собственное поглощение растворителя. Для органических порошкообразных веществ логична следующая последовательность: 1) суспензия в вазелиновом масле (или другом разбавителе), 2) таблетка с КВr или спектр диффузного отражения, 3) раствор, 4) пиролизат. Такие методы, как нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), обычно оставляют для исследования специальных случаев (например, полимерных материалов) .

Жидкие пробы. Одним из простейших приемов приготовления образцов является метод жидкой пленки. Он применяется для получения качественных обзорных спектров нелетучих, нереакционноспособных, нерастворимых жидкостей. Капля вещества сжимается между двумя солевыми пластинками или помещается на плоскую стеклянную поверхность, а затем "вытирается" солевой пластинкой. Желательно, чтобы в пределах сечения светового луча спектрометра толщина образца была более или менее одинаковой, без воздушных пузырьков. Очевидно, что спектры, полученные таким путем, не очень воспроизводимы, и не пригодны для количественной обработки (толщина поглощающего слоя неизвестна). Для получения спектров растворимых в летучих растворителях смол или лаков тонкий слой соответствующего раствора, нанесенного на солевое окно, аккуратно высушивают под тепловой лампой, феном или в вакуумном эксикаторе, добиваясь полного удаления растворителя. В некоторых случаях исследователи предпочитают приготовление проб в виде растворов, хотя этот метод более трудоемок, чем другие, его преимущество заключается в высокой воспроизводимости и в возможности выполнять количественные измерения.

Рис.9. Разборная жидкостная кювета

Требования к растворителям. Выбор растворителя всегда является результатом компромисса. Так как все стандартные органические растворители имеют ИК спектры, то необходимо выбирать те из них, в которых вещество достаточно хорошо растворимо и которые имеют окна прозрачности в аналитических областях спектра. Растворитель должен быть химически инертным, поддаваться очистке и осушке. В тех областях спектра, где пропускание растворителя падает ниже 30%, чувствительность измерений будет понижена, а шумы и погрешности измерений будут возрастать.

Выбор концентрации. Большинство органических веществ дает приемлемые спектры в области 625 - 4000 см-1 в кювете толщиной 0,1 мм при концентрациях около 1 г /10 мл. При работе ниже 600 см-1 могут понадобиться более высокие концентрации. В случае сильнопоглощающих фтор- или кремнийорганических соединений концентрация может быть снижена до 0,2 г /10 мл. Для содержащих полярные группы соединений нужно иметь ввиду возможность проявления в спектрах межмолекулярных взаимодействий (например, водородных связей).

Толщина поглощающего слоя. На выбор толщины кюветы может влиять количество имеющегося в распоряжении образца или его растворимость. Очень тонкие кюветы (<0,05 мм) трудно изготавливать, заполнять и опорожнять, а в кюветах толщиной более 0,2 мм поглощение растворителя может оказаться слишком сильным. Удобными для работы являются кюветы толщиной 0,1 мм. В специальных случаях для анализа следовых количеств в узких областях высокой прозрачности растворителя могут использоваться кюветы с толщиной поглощающего слоя до 1см. Перед приготовлением образца с большой толщиной поглощающего слоя, необходимо проверить, пропускание растворителя и убедиться в его чистоте.

Определение толщины кювет основано на том, что в спектре пустой чистой кюветы с плоско- параллельными окнами наблюдаются регулярные максимумы и минимумы, обусловленные интерференцией

Водные растворы. Из-за очень сильного поглощения жидкой воды в ИК области, применение водных растворов ограничено такими специальными областями, как биологические исследования. Использование жидкостных кювет толщиной менее 10 мкм из водостойких материалов - Ge, Si, Zn, Se позволяет проводить исследования в значительной части области "отпечатков пальцев". Так как при дейтерировании частоты колебаний смещаются в область низких волновых чисел, то иногда в качестве растворителя используют тяжёлую воду.

Твердые вещества.

Сложности приготовления образцов твердых веществ, которые нерастворимы в обычных растворителях для ИК-спектроскопии, чаще всего возникают при их растирании до мелкодисперсных порошков, образующих суспензии (взвеси - mulls) в вазелиновом масле или КВr.

В обоих случаях цель состоит в создании однородного распределения частиц в луче, снижении рассеяния и в улучшении пропускания света взвешенными частицами в среде, имеющей близкий с образцом показатель преломления (иммерсия).

Суспензии в вазелиновом масле. Вазелиновое масло (nujol) широко применяется для приготовления суспензий, но его недостатком является сильное поглощение в области валентных (2800-3000 см-1) и деформационных (1350-1500 см-1) колебаний СН-связей. Это затруднение можно преодолеть, используя хлорированные или фторированные углеводороды.

Рис. 10. Прохождение света через рассеивающую среду: а) без иммерсионной жидкости, б) в присутствии иммерсионной жидкости (например, вазелинового масла).

Размер растертых частиц должен быть меньше длины волны ИК-излучения. Для этого малое количество вещества (обычно не более 0,5 -2 мг) растирают в тонкий порошок, смешивают с вазелиновым маслом, полученную однородную пасту аккуратно наносят на солевое окно и раздавливают в тонкий слой вторым окном. При плохом растирании спектры получаются неразрешенными и иногда искаженными из-за эффекта Христиансена (влияет дисперсия показателя преломления в области полосы поглощения).

Таблетки с КВr. Метод взвесей в КВr, называемый еще методом прессования таблеток, впервые предложен в 1952 г. Он заключается в тщательном перемешивании тонкоизмельченной пробы с порошком КВr (или другим галогенидом щелочного металла) с последующим прессованием смеси в пресс-форме, в результате чего получается прозрачная или полупрозрачная таблетка. Наилучшие результаты достигаются при откачке пресс-формы, что позволяет избавиться от включений воздуха в таблетки. Преимущества метода прессования таблеток следующие: 1) отсутствие большинства мешающих полос поглощения, 2) возможность контроля за концентрацией образца, 3) удобство хранения образцов. К недостаткам метода относят: 1) возможность изменения кристаллической структуры полиморфных веществ в процессе растирания и прессования, 2) проявление в спектрах адсорбированной воды всегда имеющейся в некотором количестве в гигроскопичном КВr (1640 и 3450 см-1), 3) в некоторых случаях возможно химическое взаимодействие КВr с веществом пробы (например, с металлоорганическими соединениями).

Диффузное отражение применяется для получения ИК спектров порошкообразных веществ, особенно, в ближней области спектра. При использовании специальных приставок для Фурье-спектрометров методика оказалась полезной для количественного анализа, в частности, лекарственных препаратов.

·Пиролиз. Когда все попытки получить ИК спектр терпят неудачу, трудные образцы подвергают пиролизу или сухой перегонке с последующим анализом ИК спектров летучих продуктов. Во многих случаях спектры пиролизатов похожи на спектры исходных соединений. Этим способом можно идентифицировать, например, полиуретаны.

·Существуют приставки к Фурье-спектрометрам, позволяющие регистрировать ИК спектры хроматографических фракций по мере их выхода из газового хроматографа.

·Кюветы с алмазными окнами. Для исследования свойств твердых тел и фазовых переходов в них требуется регистрация ИК спектров при высоких, до 10000 атм давлениях. В настоящее время не являются экзотикой кюветы с прозрачными в ИК области окнами из природных алмазов типа IIa (алмазные наковальни). Оптическое отверстие такой кюветы невелико и для ее использования может понадобиться специальный микроосветитель - световой конденсор.

·Спектроскопия внутреннего отражения. Среди приемов пробоподготовки особое место занимает спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения. Этот метод широко применяется для получения спектров поверхности "неудобных" объектов таких как наполненные смолы, композиционные материалы, сырая резина или пищевые продукты. Он основан на поглощении поверхностным слоем исследуемой пробы электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, находящейся в оптическом контакте с изучаемой поверхностью. Для регистрации спектров НПВО необходимы специальные приставки, которые размещают в кюветном отделении стандартного спектрометра. Спектры НПВО практически идентичны обычным спектрам поглощения (рис. 11).

Рис.11. ИК спектры полипропиленовой плёнки - вверху спектр поглощения, внизу спектр НПВО

В простейших случаях особых проблем при подготовке газообразных проб не возникает. В случае агрессивных газов и паров для изготовления кюветы следует использовать специальные материалы. В качестве окон можно использовать листовой полиэтилен. Прокладки лучше использовать из таких инертных материалов, как витон или тефлон, поскольку другие материалы могут загрязнять образцы из-за адсорбции и десорбции.

Для уменьшения влияния уширения полос за счет соударений давление в кюветах обычно доводят до атмосферного сухим азотом. Такая процедура увеличивает чувствительность к следовым количествам составных частей, а также позволяет проводить количественные измерения.

В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, как, например, при исследованиях загрязнений атмосферы, очень полезны многоходовые газовые кюветы с большой длиной оптического пути. Промышленность выпускает газовые кюветы с длиной оптического пути до 120 м, а в литературе есть сообщения о специальных кюветах с общей длиной пути до 1 км, что позволило достичь чувствительности 0,1 - 1 частей на миллиард. Следовые количества вредных и ядовитых паров, содержащихся в атмосфере, можно адсорбировать на древесном угле в адсорбционных трубках, а затем элюировать растворителем для идентификации по ИК-спектру. Охлаждение угля до температуры жидкого азота повышает эффективность определения до 80 - 100% .

9. Аппаратура ИК-спектроскопии

Вся ИК-область условно делится на ближнюю в диапазоне волновых чисел 4000-12500 см-1, в которой наблюдается электронные и колебательные переходы; основную и среднюю от 625 до 4000 см-1, связанную в основном с колебаниями молекул; и дальнюю от 50 до 625 см-1, в которой наблюдаются вращательные переходы, колебания в тяжелых молекулах, в ионных и молекулярных кристаллах, некоторые электронные переходы в твердых телах, крутильные и скелетно-деформационные колебания в сложных молекулах, например, в биополимерах. В настоящее время наибольшее развитие получила спектроскопия в средней ИК-области, в которой работает большинство серийных приборов .

Общая конструкция ИК-спектрометра включает: источник излучения, диспергирующую систему (монохроматор) и регистрирующий элемент (детектор). Специфика ИК-излучения приводит к особенностям в устройстве каждого элемента.

Область спектра?, см-1?, мкмПрименениеБлижняя12500-40000,8-2,5Качественный и количественный анализ на Н-содержащие функциональные группы, множество сорбентов основных частот из средней ИК-области.Средняя4000-6252,5-16,7Колебательная или основная ИК-область. Типичные линии поглощения функциональных групп, главным образом в диапазоне 1400-4000 см-1, а диапазон 600-1400 называют область "отпечатков пальцев".Дальняя625-3016,7-330Область колебаний с малой энергией, в особенности у неорганических и металлорганических соединений. Исследование скелетных и крутильных колебаний, а также колебаний решетки твердых тел.

Источник излучения в ИК-спектрометре должны перекрывать большой интервал длин волн. Из них наиболее распространены стержни из карбида кремния (глобар) или из оксидов редкоземельных элементов (штифт Нернста), нагреваемые током до 1500 и 800 С. Кривая интенсивности излучения этих источников имеет вид кривой излучения абсолютно черного тела. Они дают мощное ИК-излучение, но преимущественно в ближней ИК-области и быстро падающее с увеличением длины волны (это изменение мощности компенсируется программированным раскрытием входной щели прибора). В длинноволновой части ИК-спектра применяют ртутно-кварцевые лампы высокого давления.

Рис. 12. Стержень из карбида кремния (а) (глобар) и Штифт Нернст

Рис. 13. Ртутно-кварцевые лампы высокого давления

В монохроматоре диспергирующими элементами могут служить призмы в ИК-области материалов с подходящей дисперсией или дифракционные решетки. Призмы из стекла или кварца неприменимы, поскольку не пропускают ИК-излучение, и обычно используют призмы, изготовленные из некоторых солей. От призм требуется достаточно большая диспергирующая способность, но она падает с уменьшением длины волны. Так призма из NaCl обеспечивает точность около 2 см-1 в области 650 см-1 и около 30 см-1 в области 3000 см-1. Поэтому обычно используют 3-4 сменных призмы из монокристаллов LiF, NaCl, KBr. Дисперсия материала призмы обычно сильно меняется с температурой, поэтому необходимо термостатирование прибора. Солевую оптику следует беречь от повышенной влажности.

В настоящее время все чаще в качестве диспергирующих элементов применяют дифракционные решетки. У них больше дисперсия, которая мало зависит от длины волны и почти не зависит от температуры, но решетки могут давать наложение спектров высших порядков, что требует использования в приборе хороших спектральных фильтров.

Рис. 14. Дифракционная решетка

Детектирование ИК-излучения основано преимущественно на тепловом его действии. Для средней ИК-области в качестве приемников излучения применяют чувствительные термопары (термостолбики) и термометры сопротивления (болометры), покрытые чернью. Используют также пневматические приемники (ячейка Голея), в которых газ в зачерненной камере с гибкой стенкой меняет давление под действием излучения. В длинноволновой области применяют также другую группу приемников: фотонные приемники с фотопроводимостью.

Среди ИК-спектрометров наиболее распространены диспергирующие сканирующие приборы, в которых спектры последовательно сканируются и регистрируются с помощью одноканального приемника. По схеме освещения такие приборы бывают однолучевыми и двулучевыми. В однолучевых спектрометрах для освещения щели используют одно сферическое зеркало.

Теперь чаще используют двухлучевую систему, которая позволяет выравнивать фон, то есть линию полного пропускания, и компенсировать как поглощение атмосферными Н2О и СО2 так и ослабление пучков окнами кюветы и растворителем. Упрощенная блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра с дифракционной решеткой представлена на рис. 15.

Рис. 15. Схема инфракрасного двухлучевого спектрофотометра

ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка системой зеркал 2. Рабочий пучок проходит через кювету с образцом 3, а пучок сравнения - через компенсатор фона 4. С помощью дискомодулятора 5 пучки попеременно направляются на входную щель монохроматора 6 и через нее - на дифракционную решетку 7, которая разлагает излучение в спектр и направляет его на выходную щель 8. Монохроматическое изображение щели попадает на приемник - висмутовый болометр 9. В отсутствии исследуемого образца интенсивности рабочего пучка и пучка сравнения одинаковы, в приемнике сигналы от этих пучков вычитаются; на выходе сигнал отсутствует. При поглощении рабочего пучка исследуемым веществом на приемник попадают лучи различной интенсивности, в результате чего в приемнике возникает переменный сигнал. После усиления и преобразования сигнала приводится в движение перо самописца 10. При медленном повороте решетки щель 8 последовательно вырезает узкие участки спектра, и на ленте самописца вычерчивается кривая зависимости пропускания от длины волны.

Серийные одно- и двухлучевые спектрофотометры, используемые для изучения низкомолекулярных соединений, имеют достаточную разрешающую способность для исследования большинства полимеров. Однако для работы в дальней области спектра, которая в исследовании полимеров играет очень важную роль, необходимы специальные вакуумные спектрофотометры с дифракционными решетками.

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых образцов. Для получения ИК-спектра полимера или органического соединения необходимо всего от 1 до 10 мг вещества.

В большинстве случаев спектры соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуглероде, либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием под давлением мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда использую метод съемки ИК-спектра вещества в виде мелко растертой суспензии в вазелиновом или минеральном масле.

В случае регистрации ИК-спектра соединений в растворах или суспензиях необходимо вычитать полосы поглощения растворителей или суспензионной среды .

Рис. 16. ИК-спектр хлороформа

10. Специфические особенности фармацевтического анализа

Фармацевтический анализ - это наука о химической характеристике и измерении биологически активных веществ на всех этапах производства: от контроля сырья до оценки качества полученного ЛВ, изучения его стабильности, установления сроков годности и стандартизации ЛФ. Фармацевтический анализ имеет свои специфические особенности, отличающие его от других видов анализа. Эти особенности заключаются в том, что анализу подвергают вещества различной химической природы: неорганические, элементорганические, радиоактивные, органические соединения от простых алифатических до сложных природных биологически активных веществ. Чрезвычайно широк диапазон концентраций анализируемых веществ. Объектами фармацевтического анализа являются не только индивидуальные ЛВ (субстанции), но и смеси, содержащие различное число компонентов.

Способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с созданием новых ЛС и непрерывным повышением требований к их качеству. Причем растут требования как к степени чистоты ЛВ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование для оценки качества ЛС не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов.

К фармацевтическому анализу предъявляют высокие требования. Он должен быть достаточно специфичен и чувствителен, точен по отношению к нормативам, обусловленным ГФ, ФС и другой НД, выполняться в короткие промежутки времени с использованием минимальных количеств испытуемых Л С и реактивов. Фармацевтический анализ в зависимости от поставленных задач включает различные формы контроля качества ЛС: фармакопейный анализ, постадийный контроль производства ЛВ, анализ ЛФ индивидуального изготовления, экспресс- анализ в условиях аптеки и биофармацевтический анализ.

Составной частью фармацевтического анализа является фармакопейный анализ. Он представляет собой совокупность способов исследования ЛВ и ЛФ, изложенных в Государственной фармакопее или другой нормативной документации. На основании результатов, полученных при выполнении фармакопейного анализа, делается заключение о соответствии ЛС требованиям ГФ (ФС, ФСП). При отклонении от этих требований ЛС к применению не допускают .

Заключение о качестве ЛС можно сделать только на основании анализа пробы (выборки). Порядок ее отбора указан либо в частной ФС, либо в общей статье ГФ XI (вып. 2).

Выполнение фармакопейного анализа позволяет установить подлинность Л В, его чистоту, определить количественное содержание фармакологически активного вещества или ингредиентов, входящих в состав ЛФ. Несмотря на то что каждый из этих этапов имеет свою конкретную цель, их нельзя рассматривать изолированно. Они взаимосвязаны, взаимно дополняют друг друга и отражают комплексный характер оценки качества ЛС. Так, например, температура плавления, растворимость, рН среды водного раствора и т.д. являются критериями как подлинности, так и чистоты ЛВ. Указанные особенности фармакопейного анализа существенно отличают его от норм и требований к методам анализа, используемых в Государственных стандартах (ГОСТ) и технических условиях (ТУ).

В ФС описаны методики соответствующих испытаний применительно к тому или иному фармакопейному ЛС. Многие из этих методик идентичны. В целях унификации способов анализа в ГФ включены общие фармакопейные статьи (ОФС), в которых систематизированы сведения о выполнении испытаний на ряд ионов и функциональных групп, а также единых методов количественного определения. Для обобщения большого объема частных сведений по фармакопейному анализу будут рассмотрены основные критерии фармацевтического анализа и общие принципы испытаний на подлинность, чистоту и количественного определения ЛВ .

Для проверки качества препаратов испытательные центры или центры контроля качества лекарственных средств (ЦККЛС) должны обладать необходимым арсеналом аналитического оборудования. В статье даны рекомендации по выбору аппаратуры, оцениваются сильные и слабые стороны представленных на рынке приборов и лабораторных материалов, представлена основная номенклатура оборудования ЦККЛС.

Вопросы организации микробиологической лаборатории, оборудование для испытания на бактериальные эндотоксины, организация деятельности ЦККЛС, система менеджмента качества будут представлены в следующих публикациях.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия в средней области (от 4000 до 400 см-1) в настоящее время является методом номер один для установления подлинности фармацевтических субстанций. Он может применяться и в отношении лекарственных препаратов (т. е. дозированных лекарственных средств, готовых к применению), однако современный фармакопейный анализ предполагает в таком случае предварительное извлечение действующего вещества из лекарственной формы. (Есть исследования, которые демонстрируют возможность прямого получения ИК-спектров препаратов при относительно высоком содержании основного вещества в препарате.)

Метод ИК-спектроскопии является фармакопейным. В Государственной фармакопее (ГФ) XII (ч. 1, с. 62) имеется соответствующая общая фармакопейная статья (ОФС) "Спектрометрия в инфракрасной области".

Современный ИК-спектрометр обычно работает по принципу преобразования Фурье, т. е. использует интерферометр, что выгодно отличает его от дисперсионных приборов.

Также следует отметить, что современный ИК-спектрометр - прибор с большими возможностями, не все из которых требуются при проведении рутинного контроля качества ЛС. Поэтому при приобретении такого прибора для ЦККЛС необходимо выбирать набор приспособлений, приставок и программного обеспечения к основному прибору, который будет реально востребован.

В подавляющем большинстве случаев для получения ИК-спектров используют два способа:

прессование таблеток с бромидом калия (основной вариант);

получение суспензии в вазелиновом масле.

Для получения таблеток необходимы:

специальный пресс с пресс-формами и другими приспособлениями;

спектроскопически чистый бромид калия (KBr для ИК-спектроскопии);

соответствующие держатели в кюветном отделении прибора.

Для получения суспензии в вазелиновом масле необходимы:

ступка, не содержащая пор (например, агатовая) с таким же пестиком (поры накапливают влагу, попадания которой в образец необходимо избегать);

спектроскопически чистое минеральное (вазелиновое) масло (масло для ИК-спектроскопии);

стекла из бромида калия или другого материала, прозрачного в рабочем диапазоне ИК-спектра (суспензия помещается между стеклами);

соответствующие держатели в кюветном отделении прибора. При получении ИК-спектров жидких веществ могут подойти стекла из бромида калия, которые используются и для сканирования спектров суспензий.

Естественно, что различные фирмы-производители конструктивно могут реализовывать получение спектров разными способами, о чем необходимо консультироваться, приобретая прибор.

Следует также учесть, что могут оказаться востребованными и другие варианты пробоподготовки, предусмотренные ОФС. Их также следует обсудить с поставщиком при покупке прибора .

Заключение

Инфракрасная спектроскопия с каждым годом получает всё более широкое распространение как весьма ценный физический метод исследования строения молекул и мощный аналитический метод.

Внедрение спектроскопии в сферу фармацевтического анализа ЛС послужило мощным толчком для её развития и совершенствования. Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности результатов и чувствительности обнаружения, существенном сокращении времени проведения анализа, ИК-спектроскопия достигла высшей степени экономической эффективности .

Список использованной литературы

1.Аверко-Антонович И.Ю. , Бикмуллин Р.Т.: Методы исследования структуры и свойств полимеров. Учебное пособие / КГТУ. Казань. - 2002. - 604 с.

Арзамасцев А.П., Дорофеев В.Л. Современные требования к Стандартизации и контролю качества лекарственных средств. // Новая аптека. Эффективное управление. 2007 - №4- С. 54-57.

Арзамасцев А.П., Дорофеев В.Л. Стандартные образцы для фармакопейного анализа. // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. 2010 - №5С. 6-10.

Беллами JI. Инфракрасные спектры сложных молекул М.:1983, 432 с.

Бёккер Ю. Мир химии. Спектроскопия. Перевод с немецкого Л.Н.Казанцевой. Москва -2009. - 522с.

Бранд Дж. Применение спектроскопии в органической химии. М.: Мир. - 1967. - 280 с.

Государственная фармакопея Российской Федерации XII издания 2 часть, Москва 2010

Кеслер Н, Методы инфракрасной спектроскопии в химическом анализе. М.: Мир, 1984,-287 с.

Коптюг В.А. Атлас спектров для криминалистических подразделений МВД СССР. Выпуск 8. Новосибирск- 1991г. -477с.

Крищенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. М.: 1997. -638с.

Кросс А.Д. Введение в практическую инфракрасную спектроскопию Пер с англ. М.: Иностранная литература, 1981. - 110 с.

Крылов А. С., Втюрин А. Н., Герасимова Ю. В. Обработка данных инфракрасной Фурье-спектроскопии. Методическое пособие. Красноярск, Институт физики СО РАН, 2005. - 48 с.

Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Фурье-КР и фурье-ИК-спектры полимеров. М.: Физматлит,- 2001. -316 с.

Наканиси К. " Инфракрасные спектры и строение органических соединений" М.: Мир,- 1965. -216с.

Норрис К.Х. Приборы для ближней инфракрасной спектроскопии // Применение спектроскопии в ближней инфракрасной области для контроля качества продукции (4-й сборник научных трудов по ИКС). М.: Интерагротех, 1989.-С. 5-10.

Пентин Ю.А. , Л.В. Вилков: Физические методы исследования в химии. - М.: Мир. - 2003. - 367 с.

Садчикова Н.П., Арзамасцев А.П., Титова A.B. Метод ближней ИК-спектроскопии в системе контроля качества лекарственных средств (обзор) // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. -2010.-№1. С. 16-20.

Садчикова Н.П., Арзамасцев А.П., Титова A.B. Современное состояние проблемы применения ИК-спектроскопии в фармацевтическом анализе лекарственных средств // Хим.-фарм.ж. 2008. - №.8. - С. 26-30.

Тарасов К.И., Спектральные приборы, "Машиностроение", Л., 1968.

Тарасевич Б.Н. Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье. Подготовка проб в ИК спектроскопии. Москва- 2012. -22с.

Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Москва -2012. -52с.

Тарутина Л.И., Позднякова Ф.О. Спектральный анализ полимеров. - Л.: Химия. - 1986. - 248 с.

Сливкин А.И. Атлас ИК-спектров лекарственных веществ. А.И. Сливкин, О.В. Тринеева, Е.Е. Логвинова, А.С. Чистякова, Л.Ю. Яковлев, И.И. Механтьев. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета- 2013.- 172с.