Спектроскопия в ближней ИК-области

Теория вопроса, значение и принцип метода. Происхождение ИК-спектров связано с колебательными движениями атомов внутри молекул. При поглощении фотона с энергией меньше 80 кДж/моль электронного перехода не происходит, т.к. энергии хватает только на изменение колебаний атомов, которые вызывают переход молекул из одного колебательного состояния в другое. Из всех колебательных переходов наиболее вероятным является переход на ближний колебательный подуровень. Менее вероятным переходом на более высокие колебательные подуровни отвечают спектральные линии, которые называются обертонами. Их частоты кратны частоте основной линии, но интенсивность значительно ниже. Анализ изучаемого вещества в ближней (обертонной) ИК-области проводится именно с использованием обертонов и составных частот. ИК-спектры изображают в виде графиков, откладывая по оси ординат пропускание, а по оси абсцисс – частоту или длину волны. Количественная характеристика спектров поглощения, как и для видимой области, даётся на основе закона Бугера – Бера.

Большой набор возможных колебаний обусловливает соответственно большое число полос в ИК-спектрах даже относительно простых молекул. ИК-спектры множества соединений собраны и зарегистрированы в специальные атласы, которыми пользуются при идентификации соединений и анализе вещества.

ИК-спектроскопия поглощения в ближней и средней областях спектра применяется при изучении органических и минеральных компонентов почвы, выявлении в них важнейших атомных групп и типов связей, определении структуры молекул. Кроме того, ИК-спектроскопия позволяет получать и исследовать не только спектры поглощения, но и спектры отражения в инфракрасной области.

Принцип метода отражательной ИК-спектроскопии основан на существовании зависимости между количеством отдельных компонентов в сложных по составу пробах и интенсивностью диффузного отражения света в ближней ИК-области. Отражательная ИК-спектроскопия позволяет определять в различных объектах такие показатели, как влажность, в растениях – жиры, клетчатку, золу, белок, крахмал.

Внешний вид ИК-спектрометров представлен на рисунке 8.

Рис. 8. Внешний вид ИК-спектрометров

Аппаратура. Рассмотрим устройство и отдельные узлы ИК-спектрометров (рис. 9).

Источники излучения (света). Для этих целей в ближней области используются лампы накаливания. Для других диапазонов ИК-частот применяют штифты Нернста и другие излучатели, разогреваемые при прохождении тока до 1100 – 1300 °С.

Монохроматоры. В ИК-спектрометрах системы монохроматоров могут быть двух типов – призменные и дифракционные. В первых в качестве диспергируемого элемента используют призмы, изготовленные из прозрачных в ИК-области материалов. Для разных диапазонов частот это могут быть призмы из специального стекла, стекловидного кварца, LiF, CaF₂, NaCl, KBr, CsBr. В дифракционных ИК-спектрометрах в качестве диспергирующего вещества используют дифракционные решётки.

Кюветы. В отражательной ИК-спектроскопии используют специальные держатели, в которые помещают тонко растертую однородную пробу. Для работы с жидкими пробами используют пластины из хлорида натрия или хлорида серебра, которые закрепляются в специальном кожухе. Суспензию вводят в промежуток между пластинами из хлорида натрия, а таблетку помещают прямо в кюветное отделение.

Рис. 9. Принципиальная схема работы ИК-спектрофотометра

Приёмное и регистрирующее устройство. Детектирование сигнала в ИК-области основано на выделении тепла при возвращении молекул из возбужденного колебательного состояния в основное. Для этого тепловую энергию преобразуют в электрический сигнал с помощью, например, термопара. На многих современных приборах после детектирования отраженного или поглощенного излучения сигнал датчика подаётся через аналого-цифровой преобразователь в микро-ЭВМ (компьютер), и к аналитику результат анализа поступает уже в обработанном виде (рис. 10).

Рис. 10. Данные со спектрометра ближней ИК-области

Использование результатов анализа. Метод ИК-спектроскопии – это экспресс-метод, который позволяет определить такие важные показатели в сельскохозяйственной продукции и кормах, как влажность, белок, жир, клетчатка, зола, крахмал. Он особенно важен при выполнении массовых анализов и позволяет вести контроль за качеством продукции как в исследовательской работе, так и на производстве.

Лекция 2