Оптическая спектроскопия. ИКС инфракрасная спектроскопия.

В результате взаимодействия потока излучения с веществом исходная интенсивность потока (I_o) уменьшается в следствии, процессов поглощения (I_A), отражения (I_k) и рассеяния (I_s).

I_o=I+I_A+I_k+I_s

I – интенсивность потока, прошедшего через вещество.

ИКС – метод основанный на взаимодействии вещества с излучением ИК области спектра. Это абсорбционный метод, основанный на явлении поглощения излучения вещества.

В ИК области для характеристики энергии фатонов часто используют величину, называемую волновым числом. Она обратно пропорциональна длине волны.

Волновое число – число длин волн, укладывающихся на отрезке 1 см.

Принципиальная схема ИК спектрометра не отличается от общей схемы оптического спектрометра.

Источники излучения

В качестве источников излучения в ИК области используется раскалённые твёрдые тела. Для таких источников распределение интенсивности излучения по длин. Волн зависит от температуры и описывается законом Планка. Это распределение не равномерно и имеет чётко выраженный максимум. Для ИКС необходимо отсечь интенсивное кратковременное излучение в видимой области и оставить более длинноволновое и менее интенсивное излучение в ИК области.

Наиболее распространённые источники ИК излучения это штифты Нерста, изготовленные из оксидов иттрия и циркония, а так же из корбида кремния.

Их нагревают до высоких температур с помощью электрического тока (800-1900 ^oC).

Для дальней ИК области используют специальные источники излучения – ртутные разрядные лампы высокого давления. В ближнем можно использовать лампы накаливания с вольфрамовой нитью.

Подготовка проб

Пробоподготовка трудоёмка относительно других спектральных методов. Для газообразных проб используют специальное вакуумирование (толщина от мм до м). Чаще всего анализируются жидкие пробы, при этом в качестве растворителя ни вода, ни спирт не подходят. Применяют органические растворители, очищенные от воды. В качестве растворителей применяют: нуйол, ацетон, бензол. Чтобы собственное поглощение растворителя было, как можно меньше используют тонкие кюветы (до 1 мм).

Твёрдые образцы анализируют непосредственно, если из материала можно приготовить тонкий слой

Измельчённую в порошок пробу смешивают с нуйолом до однородной смеси, которая помещается между двумя окошками кюветы. Окошки прижимают друг к другу, избавляясь от пузырьков воздуха.

Монохроматоры

В ИКС в качестве монохраматоров можно применять как призмы, так дифракционные решётки. В зависимости от исследуемого спектрального диапазона, применяют призмы из кварца, LiF, NaCl, KBr, CsI. В настоящее время преобладают решётчатые монохраматоры. Достоинства:

- высокая равномерная разрешающая способность,

- механическая и химическая устойчивость,

- широкий рабочий диапазон спектра.

Детекторы

В качестве детекторов используют термопары. Термопара преобразует энергию ИК излучения в тепловую, а затем в электрическую. Возникающая при этом разность потенциалов регистрируют обычным способом.

Балометр работает по принципу термометра сопротивления. Рабочим материалом является металл или сплав (платина, никель и т.д.), электрическое сопротивление сильно изменяется с изменением температуры.

Общей проблемой измерения интенсивности ИК излучения является наличие значительного теплового шума окружающей среды при небольшом полезном сигнале. Поэтому детекторы ИК излучения максимально изолируют от окружающей среды.

Устройство ИК спектрометра

Как правило, Ик-спектрометр работает по 2-х лучевой схеме: 2 параллельных световых потока пропускают через кювету с анализируемым образцом и кювету сравнения – это позволяет уменьшить погрешности, связанные с рассеянием, отражением и поглощением света, материалом кюветы и растворителем. Свет, испускаемый источником, делится на 2 потока: один из которых проходит через измерительную кювету, а второй через кювету сравнения. Затем оба потока падают на зеркало, вращающееся с определенной частотой, это зеркало разделено на 4 равных сектора (по 90), 2 из них прозрачные, а 2 других отражающие. Световые потоки поочередно попадают на монохроматы (по схеме Литтрова). Световой луч отражается зеркалом Литтрова и дважды проходит через призму. Затем с помощи системы зеркал направляется на детектор. Сканирование спектра осуществляется при помощи поворота зеркала Литтрова или призм. В качестве детектора применяют высокочувствительную термопару. Электрическая схема усилителя собрана так, чтобы при одинаковых интенсивностях измеряемого светового потока и потока сравнения, результирующий ток был нулевой. При поглощении света в измеряемой кювете интенсивность, соответствующего светового потока уменьшается. Это вызывает появление в цепи электрического тока, который приводит в действие мотор. Мотор перемещает клин-ослабитель в световой поток сравнения на столько, чтобы снова выровнять интенсивность обоих сигналов, таким образом, положение клина характеризует степень поглощения света. Одновременно информация о положении клина подается на регистрирующее устройство. Данные о текущей длине волны определяется по положению зеркала Литтрова.

ИК-спектрометр с Фурье преобразованием (самостоятельно, на экзамене не будет).

Качественный анализ

Качественный анализ используется для решения задач различного типа. Ик-спектр позволяет установить природу вещества, сравнивают экспериментальный спектр неизвестного вещества со спектрами, имеющимися в спектральной библиотеке. Ик-спектр позволяет выяснить отвечает ли строение вещества предлагаемой формуле, а также выбрать среди нескольких структур наиболее вероятную. Можно предположить структуру вещества. При исследовании структуры веществ методом ИК-спектроскопии необходимо придерживаться следующих основных положений:

1) Для регистрации ИК-спектра следует использовать чистое вещество;

2) Необходимо знать дополнительную информацию о веществе (какой класс веществ и т.п.)

3) Отсутствие полосы в некоторой области частот – надежное доказательство того, что соответствующий структурный фрагмент в молекуле отсутствует. Однако, наличие полосы еще не свидетельствует, что в молекуле имеется данная группа.

4) Для рассматриваемой группы следует найти все её характеристические спектральные полосы

5) В первую очередь необходимо исследовать полосы в тех областях спектра, где их мало.

6) Достоверное отнесение структуры возможно лишь тогда, когда все характеристические полосы проидентифицированы и имеется спектр аналогичного построенного соединения для сравнения.

Данный метод чаще всего используют совместно или в сочетании других методов.

Количественный анализ

Для количественного анализа, средняя ИК-область не столь пригодна как УФ или видимая. Интенсивность источников излучений здесь невелика. Чувствительность детекторов невелика. Сложность создает очень малая толщина кювет, которую трудно воспроизвести или измерить. Уровень рассеянного излучения в ИК-области значительно выше чем в УФ и видимой. Тщательная градуировка с использованием стандартных образцов, а также применение современной аппаратуры позволяют в какой-то степени преодолеть эти трудности и использовать ИК-спектроскопию для количественного анализа. С помощью данного метода определяют отдельные ароматические углеводороды, глюкозу в сыворотках крови, загрязнители воздуха (СО, ацетон, атилен-оксид, хлороформ). Большое значение для Ик-анализа имеет ближняя ИК-область. Методом спектроскопии в ближней ИК-области можно непосредственно определять октановое число бензина.