Документ Microsoft Word

Для связей X–X' приведённая масса гораздо выше, например, для связи C–O она составляет 6,86. Поскольку силовая постоянная примерно такая же, как для связи C–H (обе связи одинарные), то частота колебаний C–O должна быть на √6,86 ниже, чем 3000 см^–1, т. е. 1150 см^–1. Аналогичные соображения применимы для кратных связей. Например, силовая постоянная связи C=O примерно в два раза выше, чем для связи C–O, соответственно, оценочная частота её колебания составляет 1600 см^–1 (реальное усреднённое значение равно 1700 см^–1). Тройные связи прочнее двойных, и их колебания наблюдаются в диапазоне 2300—2100 см^–1[21].

Силовые постоянные для деформационных колебаний ниже, чем для соответствующих валентных колебаний, поэтому они проявляются при более низких частотах. Например, колебания групп XH₂ попадают в область 1500 см^–1, групп XYH — в область от 1500 до 1000 см^–1, а групп XYZ (все атомы относительно тяжёлые) — в область ниже 1000 см^–1[21].

Таким образом, спектр можно разделить на четыре области:

• 3600—2800 см^–1 — область валентных колебаний X-H;

• 2800—1800 см^–1 — область колебаний тройных связей либо других относительно редких групп;

• 1800—1500 см^–1 — область колебаний двойных связей;

• ниже 1500 см^–1 — область отпечатков пальцев^[21].

Неорганические, координационные и металлоорганические соединения[править | править вики-текст]

ИК-спектр хлорида меди(I)

Вид инфракрасного спектра неорганического соединения зависит прежде всего от его агрегатного состояния. Для газообразных образцов возможно проявление тонкой вращательной структуры вследствие перехода между вращательными состояниями. При переходе к жидким образцам вращательные переходы исчезают из-за высокой частоты столкновений молекул в растворах. Также в конденсированных веществах возникают новые полосы поглощения ниже при частотах ниже 300 см^–1, которые соответствуют решёточным колебаниям^[22].

В области ближнего ИК-излучения (12 500—4000 см^–1) обычно проявляется много полос, соответствующих обертонам фундаментальных или составных колебаний. Для среднего ИК-излучения выделяют область групповых частот (4000—1300 см^–1) и область отпечатков пальцев (1300—650 см^–1). В первой области проявляются групповые колебания, приписываемые каким-либо па́рам атомов молекулы: от 4000 до 2500 см^–1 — колебания с участием атомов водорода, от 2500 до 2000 см^–1 — колебания тройных связей, от 2000 до 1540 см^–1 — колебания двойных связей. В области отпечатков пальцев находятся деформационные и скелетные колебания многоатомных систем^[22].

Область дальнего ИК-излучения (от 667 до 10 см^–1) содержит деформационные колебания углерода, азота, кислорода и фтора, которые связаны с атомами с массой выше 19 а. е. м., а также деформационные колебания циклических и ненасыщенных систем. Колебания в данной области особенно чувствительны к химическому окружению и могут быть использованы для установления строения изомеров. Также данная область полезна при изучении металлоорганических соединений, поскольку частоты колебаний сильно зависят от комплексообразующего атома^[22].

Высокомолекулярные соединения[править | править вики-текст]

ИК-спектр полистирола

В отличие от низкомолекулярных соединений, полимеры состоят из длинных цепей. Это приводит к тому, что для них можно наблюдать дополнительные полосы поглощения, которые относятся к колебаниям целых цепей^[23].

Получение ИК-спектров для высокомолекулярных соединений затруднено тем, что они сильно поглощают ИК-излучение. Для того, чтобы величина оптической плотности попадала в допустимые пределы, согласно закону Бугера — Ламберта — Бера, необходимо, чтобы толщина полимера составляла около 5 мкм. Получить материал такой толщины можно в лаборатории, однако распространённые материалы гораздо толще, поэтому для анализа полимеров используют такие приёмы, как нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО) и спектроскопию внешнего отражения. Эффективный оптический путь в этих методах гораздо меньше (1 мкм и меньше)^[23].

Обычно структуру полимера устанавливают, применяя совместно методы ИК-спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Первая даёт информацию о функциональных группах с большим дипольным моментом (C–H, C=O), тогда как вторая чувствительна к поляризуемым группам, содержащимся в макромолекулярных цепях (C–C, C=C). По ИК-спектрам можно определить количество концевых функциональных групп в навеске высокомолекулярного соединения и оценить его молекулярную массу. ИК-спектроскопия также помогает определить составные компоненты в сополимерах, а также низкомолекулярные добавки и примеси. Особенно это важно в промышленности, при идентификации и установлении свойств полимера. При использовании соответствующих баз данных, с которыми машинный алгоритм сравнивает снятый ИК-спектр, эта процедура может выполняться рутинно. По сигналам в ИК-спектре также определяется степень разветвления полимеров и их стереорегулярность, кристалличность либо аморфность полимеров^[23].

Подготовка образцов[править | править вики-текст]

Пресс для приготовления таблеток бромида калия

Снятие спектров жидких веществ обычно осуществляется из тонких плёнок, расположенных между стёклами из материалов, пропускающих ИК-излучение. Для органических веществ обычно применяется бромид калия. Для водных растворов может применяться селенид цинка, который обладает широким спектральным окном пропускания, однако его высокий коэффициент преломления приводит к появлению полос интерференции, что затрудняет количественное определение. Заменой ему могут служить фторид кальция и фторид бария. Стёкла из галогенидов щелочных металлов быстро мутнеют во влажной атмосфере и легко царапаются, но могут быть легко отполированы заново^[24].

Существует три приёма для записи спектров жидкостей: в ячейках с фиксированными или съёмными спейсерами (прокладками между стекол) либо из плёнки непосредственно между стёклами. Для количественных измерений предпочтительно использование фиксированных ячеек, где спейсером служит амальгама, которая обеспечивает постоянный оптический путь. В разборных ячейках эту функцию выполняет прокладка из металлической фольги или тефлона. Стёкла в таких ячейках можно разбирать для очистки или изменения длины оптического пути. Обычно после повторной сборки оптический путь немного изменяется, однако он может быть легко рассчитан вновь по полосам интерференции. Толщина зазора между стёклами пустой ячейки рассчитывается как (2 × расстояние между полосами)^–1. Согласно третьему способу, каплю жидкости можно поместить на одно стекло и прижать её другим. При этом оптический путь регулируется прилагаемым усилием. Это удобно для количественных оценок, но неудобно для летучих веществ^[24].

Для получения спектров твёрдых веществ их нужно измельчить в мелкий порошок и диспергировать в матрице. В качестве матрицы обычно используется минеральное масло (нуйол^[en]) либо фторированные углеводороды (fluorolube), позволяющие наблюдать сигналы в области 3000 см^–1. Одна-две капли жидкости добавляются к образцу, и получившаяся паста помещается между стёклами. Альтернативным материалом матрицы служит бромид калия: он смешивается с небольшим количеством образца, вакуумируется и прессуется в небольшую таблетку диаметром 13 мм и толщиной 1 мм. Таблетка может быть также получена без вакуумирования и с использованием ручного пресса. Преимуществом такого приёма является то, что бромид калия не поглощает в области выше 400 см^–1. Также растворимые вещества можно нанести на стекло в виде раствора, после чего удалить растворитель под инфракрасной лампой^[24].

ИК-измерения для газообразных веществ требуют гораздо более длинных оптических путей, обычно 10 см при достаточно высокой концентрации. В случае следовых концентраций применяются системы с многократным отражением, обеспечивающие оптический путь порядка нескольких метров при небольших размерах прибора. В этом случае предел обнаружения составляет ниже 1 м. д.^[24]

ИК-спектроскопия отражения[править | править вики-текст]

В традиционной инфракрасной спектроскопии исследуется спектр излучения, прошедшего через образец. Существуют также методы исследования инфракрасного излучения, отражённого от поверхности образца. Они основаны на изучении:

• нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО);

• зеркального отражения;

• скользящего отражения;

• диффузного отражения^[25].

Существенным преимуществом таких методов является то, что удаётся изучать образцы, непрозрачные для ИК-излучения, а также обходиться без процесса пробоподготовки и проводить анализ непосредственно в полевых условиях. Кроме того, такие анализы не являются разрушающими^[25].

Спектроскопия НПВО[править | править вики-текст]

Оптический путь ИК-излучения в кристалле НПВО

Основная статья: Спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения

Метод основан на отражении пучка на границе раздела двух фаз: фазы кристалла НПВО с относительно высоким показателем преломления и фазы исследуемого образца с более низким показателем преломления. Если пучок излучения падает на плоскость образца под углом падения больше критического, то наблюдается практически полное отражение пучка от поверхности образца. На самом деле излучение на небольшую глубину проникает в фазу образца, где частично поглощается. При последующих попаданиях того же пучка света на образец это явление повторяется, и в результате получается некое подобие спектра поглощения. Наблюдаемые частоты поглощённого излучения будут совпадать с частотами, получаемыми в ИК-спектроскопии пропускания^[26].

Для проведения спектроскопии НПВО инфракрасные спектрометры оборудуются специальной приставкой. В ней анализируемое вещество помещается в непосредственный контакт с кристаллом и фиксируется при помощи прижимного устройства. Далее через кристалл под специально подобранным углом подаётся инфракрасное излучение, интенсивность которого фиксируется на выходе из кристалла. Обычно в дисперсионных приборах осуществляется примерно 25 отражений, а в спектрометрах с преобразованием Фурье — около шести^[26].

Спектроскопия НПВО позволяет анализировать как обычные жидкие образцы, так и «сложные», например, водные растворы, пасты и гели. Поскольку кристалл НПВО легко извлекается из кюветы, нанесение и удаление образца не представляет особой трудности. Также анализу поддаются порошки и полимеры, которые прижимаются к кристаллу специальным устройством. Существуют специальные кюветы для анализа кожи, которые находят применение при изучении действия косметики и лекарств на кожу человека^[26].

Спектроскопия внешнего отражения[править | править вики-текст]

Основная статья: Инфракрасная спектроскопия внешнего отражения

Схема спектроскопии зеркального отражения

Регистрируемым параметром в инфракрасной спектроскопии внешнего отражения является интенсивность отражённого света. Если разделить это значение на интенсивность падающего излучения, получится величина, называемая коэффициентом отражения. График зависимости коэффициента отражения от длины волны (или частоты излучения) содержит ту же информацию, что и классические ИК-спектры пропускания^[27].

Спектроскопия зеркального отражения применяется для материалов, нанесённых на отражающие металлические поверхности или поверхности из другого материала, который отражает инфракрасное излучение. Суть метода заключается в том, что пучок излучения из ИК-спектрометра подаётся на изучаемую поверхность, где он проникает сквозь покрытие, отражается от подложки, снова проходит через покрытие и попадает на детектор прибора. Двойное прохождение через материал покрытия приводит к частичному поглощению ИК-излучения, что и даёт спектр поглощения для данного материала. При этом, в отличие от метода НПВО, образец может иметь шероховатую поверхность и не контактирует с кристаллом. Анализу поддаются покрытия толщиной от 1 до 100 мкм^[28].

Спектроскопию скользящего отражения применяют для изучения очень тонких слоёв на отражающей поверхности. При подаче излучения под очень большим углом падения оптический путь через слой материала сильно возрастает, что и даёт возможность получать спектры поглощения таких материалов. Если в качестве отражателя выступает вода, то этим методом можно изучать мономолекулярные слои масел, жиров, липидов и т. д. на её поверхности, при этом получая информацию о строении и плёнок. Подобным образом исследуют биологические мембраны в естественных условиях^[29].

Схема спектроскопии диффузного отражения

Диффузное отражение возникает на шероховатой поверхности и не сфокусировано в определённой точке, поэтому для работы с ним используются эллипсоидные зеркала, одно из которых фокусирует ИК-излучение на образце, а второе «собирает» отражённый свет и отправляет его на детектор. Спектроскопия диффузного отражения нашла применение в анализе порошков, а также волокнистых материалов (бумаги, ткани)^[30].

Недостатком методов, использующих внешнее отражение, является сложность получаемых спектров. Обычные спектры пропускания несут в себе информацию лишь о коэффициенте экстинкции при той или иной длине волны, в то время как в спектроскопии отражения интенсивность отражённого света зависит также от коэффициента преломления. В дополнение ко всему необходимо учитывать коэффициент поглощения отражающей поверхности. Для преобразования экспериментальных спектров в классические спектры пропускания используют преобразования Крамерса — Кронига^[31].

ИК-микроскопия[править | править вики-текст]

Основная статья: Инфракрасная микроскопия

Инфракрасная микроскопия предназначена для исследования образцов очень небольшого размера (порядка микрометров). Несмотря на то, что первый коммерческийИК-микроскоп появился в 1953 году, настоящий прорыв в данной области был совершён вместе с появлением Фурье-ИК-спектрометров, которые благодаря высокому разрешению, большой интенсивности излучения и возможностям компьютерной обработки спектров сильно повысили чувствительность микроскопического анализа^[32].

По своей конструкции ИК-микроскоп напоминает обычный световой микроскоп: образец также размещается на предметном столике и наблюдается в бинокуляр. Освещение образца производится либо снизу (для спектроскопии пропускания), либо сбоку (для спектроскопии отражения). При этом и видимый свет, наблюдаемый экспериментатором, и инфракрасный свет, регистрируемый детектором, проходят через одну общую оптическую систему, поэтому изображение в бинокуляре отвечает участку, который анализируется в ИК-излучении^[32].

ИК-микроскопия используется для анализа образцов в очень малом количестве (от 0,01 до 100 мкг) или малых размеров (от 10^–1 до 10^–3 мм), а также концентрационных флуктуаций и включений^[32].

Комбинирование с другими методами[править | править вики-текст]

С газовой хроматографией[править | править вики-текст]

Благодаря своей информативности инфракрасная спектроскопия используется в комбинации с газовой хроматографией. В данном случае и разделение смеси веществ, и запись ИК-спектра проводятся в газообразной фазе. Вещества, выходящие из хроматографической колонки подаются в так называемую «световую трубку» — нагретый позолоченный канал, не позволяющий анализируемым веществам конденсироваться. Вдоль этой же трубки проходит инфракрасное излучение, интенсивность которого детектируется на выходе. Благодаря быстрой регистрации ИК-спектров с преобразованием Фурье становится возможной запись спектров для каждого компонента разделяемой смеси^[33].

Необходимо учитывать, что спектры веществ в газовой фазе обычно отличаются от спектров конденсированных веществ. Для получения ИК-спектров соединений, твёрдых или жидких при комнатной температуре, используется техника вымораживания. Выходящие из колонки вещества попадают на пластинку, охлаждаемую жидким азотом, после чего происходит запись спектра прямо с пластинки^[33].

Особый интерес представляет комбинация газовой хроматографии, инфракрасной спектроскопии и масс-спектрометрии. Поскольку в ходе ИК-анализа вещество не разрушается, его можно проанализировать и на масс-спектрометре. Такой анализ даёт весьма большой объём аналитической информации, необходимой для идентификации химических соединений^[33].

С термогравиметрическим анализом[править | править вики-текст]

Термогравиметрический анализ является неоценимым инструментов для характеризации и изучения полимерных материалов. В ходе этого анализа небольшое количество полимера нагревают в инертной атмосфере и следят за уменьшением его массы в зависимости от температуры и времени эксперимента. При этом обычно происходит улетучивание различных пластификаторов и прочих добавок. Если же летучие компоненты неизвестны, их структуру можно устанавливать при помощи ИК-спектроскопии в режиме реального времени. Для этого газообразные вещества инертным газом переносятся в специальную камеру, через которую пропускается инфракрасное излучение^[34].

Иногда при нагревании полимеров выделяются не индивидуальные вещества, а их смеси. Несмотря на некоторую информативность ИК-спектров смесей веществ, применяются также и методы их раздельного анализа. Для этого летучие компоненты сорбируют на активированном угле, затем десорбируют и анализируют на газовом хроматографе с детекцией ИК-спектрометром^[34].

Применение[править | править вики-текст]

Наряду с традиционным использованием в различных областях химии для установления строения и идентификации химических соединений, инфракрасная спектроскопия также нашла применение в других специальных областях.

Исследование памятников искусства[править | править вики-текст]

Наряду со спектроскопией комбинационного рассеяния, ИК-спектроскопия находит применение в анализе состава различных предметов искусства. Существенную часть таких приложений составляет анализ неорганических и органических пигментов и красителей. Поскольку инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать химический состав и строение пигмента, становится возможным сделать ряд косвенных выводов, например, о подлинности или времени реставрации картины. Так, если белый пигмент на полотне периода Ренессанса, согласно данным анализа, представляет собой диоксид титана в форме рутила илианатаза, используемых в изобразительном искусстве с 1923 и 1947 года соответственно, то картина либо подделана, либо недавно подвергалась реставрации^[35].

Такие материалы, как лён и хлопок, не удаётся анализировать инфракрасным излучением из-за сильного поглощения молекул воды^[36]. Это же относится и к неорганическим пигментам: они имеют невысокие волновые числа и содержат гидроксильные группы в гидратированных кристаллах. Поэтому ИК-спектроскопия имеет более широкое применение в идентификации органических пигментов, связующих и смесей^[37]. Особенно важна роль ИК-спектроскопии в исследовании предметов, имеющих флуоресцентное покрытие либо флуоресцентные примеси, поскольку в таких случаях флуоресценция мешает проявлению сигналов КР-спектроскопии^[36].

Исследования предметов искусства с использованием ИК-излучения стали проводиться раньше, нежели КР-спектроскопические исследования, и уже собраны достаточно обширные базы ИК-спектров для пигментов, а также синтетических и природных материалов. Подобным анализам также поспособствовало создание портативных приборов, позволяющих анализировать предметы на месте их расположения, например, в музеях^[36].

Применение в медицине[править | править вики-текст]

Возможность получения информации о присутствии в образце тех или иных функциональных групп позволила использовать инфракрасную спектроскопию в медицинских целях как инструмент изучения биохимии тканей. ИК-спектроскопия, в частности, чувствительна к структуре и концентрации макромолекул (белков, ДНК) и гораздо менее применима для обнаружения небольших молекул, которые находятся в клетках в низкой концентрации. Изменения в ИК-спектрах биологических материалов свидетельствуют о патологиях, связанных с нарушением биохимического состава образца. Например, раковые изменения часто связаны с присутствием нескольких ядер в клетке. Соответственно, инфракрасная спектроскопия показывает диагностические изменения, связанные с усилением поглощения нуклеиновых кислот^[38].

Биологические жидкости изучаются в объёме 5—10 мкл методом пропускания через окно из CaF₂ или BaF₂. При необходимости из получаемых спектров математически вычитается спектр воды. Также воду можно предварительно удалить высушиванием образца и изучать остаток в виде тонкой плёнки, однако в этом случае теряется информация о летучих компонентах образца и о его гидратации. Спектры тканей также получают подобным образом, вырезая и изучая образцы объёмом около 1 мм³. Некоторые ткани, которые невозможно сжать между стёклами (кожа, мышцы), подвергают исследованию методом НПВО^[38].

Сбор и интерпретация данных возможны либо классическим методом (изучение интенсивности характеристических полос поглощения по спектрам), либо путём построения пространственных карт интенсивности частот. В последнем случае используется инфракрасный микроскоп, позволяющий снимать спектры последовательно из заданных точек образца, а затем отображать результат в виде трёхмерного графика^[38].

Преимуществом такого метода исследования является универсальность прибора: для изучения широкого спектра нарушений в различных тканях не требуется серьёзной перестройки конфигурации или использования специальных детекторов и реагентов^[38].

Применение в судебной экспертизе[править | править вики-текст]

Ячейка с алмазными наковальнями

Основными задачами ИК-спектроскопии в судебной экспертизе являются установление происхождения и марки автомобильных красок, анализ волокон с места преступления, исследование и сравнение типа чернил или тонеров на документах, различение природных и искусственных драгоценных камней, а также анализ пищевых и физиологических образцов^[39].

Из-за специфики анализируемых материалов эксперты применяют ряд необычных модификаций инфракрасной спектроскопии. Например, часто используется ячейка с алмазными наковальнями, позволяющая под действием высокого давления расплющить даже очень небольшой образец (порядка 5 мкм) до приемлемой площади, позволяющей запись инфракрасного спектра пропускания. Если образец невозможно переместить, либо если он имеет отражающую поверхность, ИК-спектр записывают в отражении через микроскоп или обычную ячейку. Иногда используется запись спектра из диффузного отражения^[40].