ИК-спектроскопия и ее применение

ИК-спектроскопия и ее применение.

Фотоспектроскопия – один из наиболее распространенных методов исследования твердых тел, жидких и газообразных сред. С помощью фотоспектроскопии можно определить коцентрации веществ в растворах, установить строение молекул, определить химические связи и реакции в растворах, изучить зонную структуру твердого тела и многое многое другое. В фотоспектроскопии изучаемое вещество переводится в поглощающее свет соединение –  анализируют спектр прошедшего излучения и делают соответствующие выводы об элементном и количественном составе. Существенное отличие фотоспектроскопии от других фотометрических методов – исследование объектов с помощью выделенного участка спектра. Большинство соединений поглощают только определенные участки спектра. Измерения, проводимые при длине волны соответствующей максимуму спектра поглощения, увеличивают чувствительность метода!

Как известно весь спектр электро-магнитного излучения разбивается на ряд областей с определенными диапазонами длин волн:

Чем короче длина волны, тем больше энергии у фотонов. Так энергия фотонов УФ и видимого света соизмерима с энергией химических связей – такие высокоэнергетические фотоны могут вызывать химические реакции. Вообще поглощенное ЭМ излучение может приводить к следующим эффектам:

- химическое изменение вещества

- выделение излучения веществом (фотолюминисценция)

- преобразование ЭМ энергии в тепловую (в большинстве случаев)

Первые два эффекта соответствуют только УФ и видимому свету. Энергия фотонов ИК излучения слишком мала, чтобы возбудить электронную систему атома.

ИК спектры используют только для изучения колебаний отдельных атомов и групп в молекулах, так как энергия ИК фотонов сопоставима с энергией колебательного и вращательного движения атомов и молекул. Чаще всего в ИК-спектроскопии используют диапазон длин волн 800 нм < λ < 20000 нм. Чем сложнее молекула, тем больше у нее число колебаний. Так для трехатомной линейной молекулы имеем следующие колебания:

Вообще для молекулы из n атомов число колебаний равно 3n-6 – соответственно получаем аналогичное количество пиков на спектре поглощения. Так у воды имеем 3 полосы на ИК спектре, а у NH3 – 6 полос. Поэтому эти растворители и редко используют в ИК-спектроскопии. Обычно исследование строения веществ ведется в парах, пленках или (чаще всего) в смесях твердого вещества с инертным наполнителем, не поглощающим в ИК области (например, KBr).

Итак, основной принцип ИК-спектроскопии – облучение изучаемого объекта ИК светом и анализ спектра прошедшего излучения. Вообще спектр поглощения имеет следующий вид:

Видно, что амплитуда поглощения имеет максимум при некой длине волны Λ. На эту длину волны и настраивается источник излучения – получаем некий енбольшой диапазон частот вокруг частоты Λ. При прохождении ИК излучения через среду идет его поглощение, причем поглощаются фотоны с энергией, соответствующей колебательным и вращательным энергиям атомов в молекуле. На выходе получаем спектр с соответствующим количеством пиков. Амплитуда пиков и их размер позволяет судить о концентрации вещества, его химических связях с другими элементами. Энергетическое положение пика четко позволяет определить вид элемента.  Отметим, что ИК спектры (их еще называют молекулярными спектрами) значительно сложнее, чем  спектры других методов фотоспектроскопии. В данный момент существует большое количество библиотек спектров для огромного количества веществ и соединений, с помощью которых можно идентифицировать практически любое вещество.

Остановимся теперь более подробно на самой методике проведения ИК-спектроскопии. Одна из самых важных составляющих – ИК-спектрометр. Рассмотрим более подробно его схему и основные элементы. Любой ИК-спектрометр включает в себя определенное количество необходимых элементов:

1) Источник ИК-излучения.

Единственные известные на данный момент истоки ИК излучения – тепловые источники. Как известно, поток энергии от источника тепла рассчитывается по закону Стефана-Больцмана. Спектр излучения имеет следующий вид:

Значение длины волны при которой наблюдается максимум интенсивности излучения определяется законом смещения Вина:

где T – температура источника. Т. о. меняя температуру можно подбирать соответствующую длину волны.

2) Щели и коллиматоры.

Они служат для выделения из спектра узкого пучка. Коллиматор представляет из себя специально подобранное зеркало для еще более лучшей фокусировки. Отметим, что входная и выходная щели должны быть равны для исключения различных негативных эффектов.

3) Диспергирующие элементы.

Диспергирующие элементы также служат для выделения участка спектра излучения (повышение чувствительности). В качестве таких элементов используют, в основном, призмы и дифракционные решетки. Явление разделения пучков основано на различии коэффициентов преломления для волн разной длины (в призме) и различные углы отражения волн с разной длиной (в дифр. решетке). На рисунке показана суть разделения в призме:

4) Приемники излучения.

В качестве чувствительных приемников излучения применяют фотоприемники и тепловые приемники. Для них нужно учитывать спектральную чувствительность, отношение сигнал-шум, температурную зависимость и т. п. Кроме того, вся оптика в такого рода приборах подбирается специальным образом – используются материалы прозрачные для ИК излучения.

Приведем одну из схем реализации ИК спектрометра:

1 – осветитель, 2 – вогнутое зеркало, 3 – плоское зеркало, 4 – входная щель,

5 – защитная кварцевая пластинка, 6 – сферическое зеркало, 7 – дисперсная призма,

8 – выходная щель, 9 – линза, 10 – светофильтр, 11 – кювета с исследуемым раствором,

12 – защитная пластина

Это лишь одна из самых простых схем ИК спектрометра. Существуют гораздо более сложные спектрометры, с использованием ЭВМ для выдачи результата, сложной системой оптики и т. п., однако во всех них используют определенное количество обязательных элементов.

ИК-спектроскопию широко используют в фармакологии (анализ лекарственных препаратов, вакцин, смесей), для анализа эфирных масел (косметология, парфюмерия), для анализа углей, в промышленности и многих других областях.

Список литература:

1. Д. Кендалл «Прикладная ИК-спектроскопия»  Москва, 1970 г.

2. А. К. Бабко, А. Т. Пилипенко «Фотометрический анализ» Москва, 1968 г.

3. А. Фелдман, Д. Майер «Основы анализа поверхности и тонких пленок» Москва, 1989 г.