Лекция по ик-спектроскопии к.Х.Н. А.С. Шилина

Часть 2.

2. Аппаратура для колебательной спектроскопии

2.1. Устройство традиционного ИК-спектрометра

Инфракрасные спектрометры с Фурье-преобразованием (ИКФС) предназначены для регистрации спектров пропускания, поглощения и разных видов отражения твёрдых, жидких, порошковых, пастообразных, газообразных образцов в инфракрасной области электромагнитного спектра. Применимость таких спектрометров в настоящее время охватывает практически все сферы человеческой деятельности, связанные с определением молекулярного строения и молекулярного состава, например, с определением подлинности, чистоты, качества и стабильности веществ, их точной идентификацией как в индивидуальном виде, так и в составе смесей. 

2.1.1. Источник излучения

В этом качестве используют раскаленные твердые тела. Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от температуры. Для ИК-спектроскопии используют более длинноволновое (чем в видимой области) и относительно менее интенсивное излучение в области 4000 – 400(200) см^-1.

Наиболее распространены в качестве источника возбуждения:

• штифт Нернста - стержень из оксидов иттрия и циркония, рабочая температура 1900 ⁰С;

• глобар - из карбида кремния (SiC), рабочая температура 1350 ⁰С;

• менее интенсивные, но более продолжительные в эксплуатации источники излучения из тугоплавких сплавов (хрома, никеля);

• ртутные разрядные лампы высокого давления для дальней ИК-области 200 –10 см^-1

• обычные вольфрамовые лампы накаливания для ближней инфракрасной области 4000 – 12800 см^-1, 2500 -780 нм).

2.1.2. Отделение для проб

В ИК-спектроскопии пробоподготовка более трудоемка. Используются кюветы из галогенидов щелочных металлов.

Газообразные пробы. Используют специальные вакуумированные кюветы, толщиной от нескольких миллиметров до многих метров.

Жидкие пробы. Вода и спирт в качестве растворителей не пригодны, поскольку интенсивно поглощают в ИК- области, а также взаимодействуют с материалом кювет. Любой органический растворитель необходимо тщательно избавлять от следов воды. Выбор растворителя, не поглощающего ИК-излучение, представляет серьезную проблему. Чаще всего используют ацетон, сероуглерод, четыреххлористый углерод (CCl₄), хлороформ, диэтиловый эфир, циклогексан, бензол. Чтобы собственное поглощение растворителя было как можно меньше, используют кюветы с толщиной от 0,01 до 1 мм.

Твердые образцы можно исследовать непосредственно, если из материала образца можно приготовить тонкий слой. Как правило, на специальном гидравлическом прессе готовят таблетку из тонко растертой смеси, состоящей из оптически чистого KBr и материала образца в соотношении 100 мг: несколько мг. Для спектроскопии в дальней ИК-области используют полиэтилен.

Вместо KBr может быть использован нуйол – длинноцепочечная парафиновая фракция нефти, представляющая собой вязкую жидкость. Смешивают измельченную в порошок пробу с нуйолом – получают пастообразную суспензию. Помещают это между двумя окошками кюветы и плотно зажимают. В состав нуйола входят группы – СН_2, – СН₃, имеющие собственное поглощение в ИК-области, поэтому определение этих структурных фрагментов в образце невозможно. Образцы с бромидом калия очень чувствительны к атмосферному воздуху и влаге. Используя нуйол, можно этого не опасаться. Недостатком нуйола является невозможность анализа водных растворов биологических жидкостей (сильнО поглощение растворителя).

Кювета с герметично соединенными окнами, имеющая постоянную длину оптического пути и разборный корпус

Разборная кювета для измерения в тонком слое, сменные окна, изменяемая длина оптического пути.

Многоходовая газовая кювета с длиной оптического пути 0,8-4,8 м и окнами Ø 22 мм.

2.1.3. Монохроматоры. Применяют призмы из кварца, LiF, NaCl, KBr, CsF в зависимости от исследуемого спектрального диапазона, а также дифракционные решетки.

2.1.4. Детекторы – термопары и балометры. Термопара преобразует энергию ИК-излучения в тепловую, а затем в электрическую. Балометр работает по принципу термометра сопротивления.

Общая проблема при измерении интенсивности ИК-излучения - наличие значительного теплового шума окружающей среды.

________

Обычный ИК-спектрометр работает по двухлучевой схеме: два параллельных световых потока пропускают через кювету с анализируемым образцом и через кювету сравнения. С помощью системы зеркал потоки поочередно попадают на монохроматор. В таких спектрометрах спектр регистрируется последовательно.

Спектрометры с Фурье-преобразованием позволяют сразу получить информацию о спектре в форме интерферограммы. Путем Фурье-преобразования из интерферограммы можно получить спектр источника излучения.