Ик спектрометрия введение

Название	Ик спектрометрия введение
Дата	02.06.2021
Размер	0.88 Mb.
Формат файла
Имя файла	ik_spektrometria.pptx
Тип	Документы #213276

ИК СПЕКТРОМЕТРИЯ

Введение

Современное производство пищевых продуктов гарантированного качества требует использования хорошо воспроизводимых и точных экспресс-методов контроля показателей состава и свойств. Достижение высокого качества выпускаемой продукции связано с организацией своевременного контроля качества сырья и полуфабрикатов на всех этапах технологического процесса.
Оснащение производственных лабораторий приборами экспресс-контроля позволяет своевременно реагировать на любое отклонение технологических параметров, поэтому основным преимуществом приборного контроля является оперативность. К таким методам оперативного анализа следует, безусловно, отнести широко распространенный во многих странах мира метод спектроскопии.
Метод ИК-спектроскопии играет важнейшую роль в идентификации химических и органических веществ, благодаря тому, что каждое химическое соединение имеет неповторимый ИК-спектр.

История открытия инфракрасной спектрометрии

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем. Используя призму, он наблюдал повышение температуры в области, находящейся за красной границей спектра видимого излучения. В 1882—1900 годах Уильям Эбни и Эдвард Фестинг записали инфракрасные спектры 52 соединений и сопоставили наблюдаемые полосы поглощения с функциональными группами, присутствующими в этих молекулах.

После Второй мировой войны появилась возможность усиливать слабый сигнал ИК-спектрометров, что сократило время эксперимента до 1—2 часов. Затем была усовершенствована техника изготовления термоэлектрических приёмников с малым временем отклика
Во второй половине 20 века сложился целый раздел науки – спектрохимия, включающий разные аспекты использования спектральных методов анализа для решения химических задач.
В 1980-е годы появились комбинированные методы, объединившие газовую хроматографию и ИК-спектроскопию. Напольные приборы большого размера сменились более компактными настольными моделями.

Принцип метода

ИК спектроскопия - раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК-области.

ИК-спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

Основные характеристики спектра ИК-поглощения:

-число полос поглощения в спектре, их положение, определяемое частотой (или длиной волны );

-ширина и форма полос, величина поглощения — определяются природой (структурой и химическим составом) поглощающего вещества, а также зависят от агрегатного состояния вещества, температуры и давления.

Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от:

-масс составляющих ее атомов, геом. строения;

-особенностей межатомных сил;

-распределения заряда.

ИК-спектрометрия применяется в количественном и качественном анализе жидких , твердых и газообразных фаз. Каждое соединение имеет свой собственный специфичный ИК-спектр , отличающийся от ИК-спектра любого другого соединения.
Поэтому ИК спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений. Инфракрасная спектроскопия дает очень важную информацию о частотах колебаний ядер, зависящих от строения молекул и от прочности валентных связей. Частоты колебаний определенной пары химически связанных атомов (валентных колебаний), обычно лежат в определенных пределах. Так, например, частоты колебаний С–Н имеют различные диапазоны, зависящие от остальных связей атомов углерода, что часто позволяет определять наличие соответствующих групп в органическом соединении.

Теоретические основы метода

Хотя ИК-спектр является характеристикой всей молекулы, оказывается, что некоторые группы атомов имеют полосы поглощения при определенной частоте независимо от структуры остальной части молекулы. Эти полосы, которые называют характеристическими, несут информацию о структурных элементах молекулы.
Имеются таблицы характеристических частот, по которым многие полосы ИК-спектра могут быть связаны с определенными функциональными группами, входящими в состав молекулы. Характеристическими будут колебания групп, содержащих легкий атом водорода (С–Н, О–Н, N–Н), колебания групп с кратными связями (С=С, С=N, С=O) и т. д.

ИК-спектр фенола

Инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику химических реакций, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геометрические параметры, получать данные для вычисления термодинамических функций и др.
Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебательной энергии, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в том числе полимеров, выполняются с помощью ЭВМ.

Приборы, аппаратура

Основные части классического спектрофотометра - источник непрерывного теплового излучения, монохроматор, неселективный приемник излучения. Кювета с веществом (в любом агрегатном состоянии) помещается перед входной (иногда за выходной) щелью. В качестве диспергирующего устройства монохроматора применяют призмы из различных материалов (LiF, NaCl, KCl, CsF и др.) и дифракции решетки.
В качестве источников излучения обычно применяют глобар (стержень из SiC), нагреваемый электрическим током до 1000–1200°С.
Монохроматор состоит из двух щелей (входная и выходная) оптической системы, включающей диспергирующий элемент – призму или решетку в сочетании с плоским зеркалом. Монохроматор снабжен механическими устройствами, позволяющими устанавливать необходимую ширину щели и изменять положение зеркала для выделения монохроматического излучения заданной волны.

Приемниками излучения служат болометры или высокочувствительные элементы. Необходимыми качествами приемников является высокая чувствительность, позволяющая реагировать на ничтожное количества падающего излучения и малая постоянная времени. Обычно используются висмутовые болометры с окном из кристалла бромистого калия. Предназначен для измерения и регистрации мощности прошедшего через образец излучения. Сигналы после приемника усиливаются с помощью электронных усилений.
Регистрирующее устройство – обеспечивает равномерное перемещение диаграмной ленты с различными скоростями. Различают работу приборов по однолучевой и двухлучевой схеме. В современных ИК- спектрометрах в качестве регистрирующего устройства используют компьютеры.
Q - источник ИК излучения; М 1 - зеркало осветителя; М 2 - зеркало конденсора; С - кювета с исследуемым веществом; М - монохроматор; S1 и S2 - входная и выходная щели монохроматора; D - приёмник излучения; А - усилитель; I - измерительный или регистрирующий прибор.

Аскессуары

Поглощение излучения

Под ИК-лучами подразумевают электромагнитное излучение с длиной волны то 0,76 до 1000микрон .
Обычно прибор испускает одновременно все длины волн инфракрасного излучения, включая ближнюю ИК-область (14 000 — 4000 см−1), среднюю ИК-область (4000 — 400 см−1) и дальнюю ИК-область (400 — 10 см−1).
Для получения спектров поглощения ИК-лучи пропускают через исследуемую поглощающую среду (образец), которая может представлять собой жидкость, газ, пленку, кристалл и тд., и затем сравнивают интенсивность падающего и прошедшего через образец излучения, используя основной закон светопоглощения Бугера — Ламберта — Бера, а спектр получается при построении зависимости пропускания от длины волны (частоты, волнового числа).

Идентификация молекул по ИК-спектрам

Идентификацию соответствующих молекул проводят по их характеристическим полосам в ИК-спектрах. Так как спектр каждого соединения специфичен, то нужно идентифицировать соединение не только по некоторым характеристическим полосам, но и по всему ИК-спектру поглощения данного соединения в области 400-4000 см-1ю. Для этого необходимо иметь ИК-спектр эталонного ( стандартного) образца данного соединения. Сравнивая спектры эталонного образца и анализируемого объекта, можно сделать вывод о содержании данного соединения в анализируемом объекте.

Подготовка образцов

Регистрация спектров жидких веществ обычно осуществляется из тонких плёнок, расположенных между стёклами из материалов, пропускающих ИК-излучение. Для органических веществ обычно применяется бромид калия.
Для получения спектров твёрдых веществ их нужно измельчить в мелкий порошок и эмульгировать (рассеять) в матрице. В качестве матрицы обычно используется бромид калия: он смешивается с образцом, растирается, вакуумируется для удаления воды и прессуется ручным гидравлическим прессом в небольшую таблетку диаметром 13 мм и толщиной 1 мм. Перед использованием бромид калия можно прогревать до 40 °С для того, чтобы на нём не конденсировалась вода, которая даже в минимальном количестве проявляется в спектре в виде полос при 3450 и 1640 см−1.
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.

Практика метода

Вид инфракрасного спектра неорганического соединения зависит прежде всего от его агрегатного состояния. Поэтому для записи спектров разных фаз(твердые, жидкие,газообразные) применяются следующие основные методики.
Твердые фазы. Наиболее распространены две методики- метод прессования образца с инертным наполнителем и метод растирания с индифферентными жидкостями.
Методика прессования образца с инертным наполнителем.В качествевеинертного наполнителя используют безводный спектрально чистый кристаллический KBr, который не имеет собственных полос поглощения в области 400-4000 см-1, пластичен при прессовании ,легко обезвоживается.
При проведении стандартных экспериментов навеску анализ.образца растирают с кристаллический KBr в агатовой или яшмовой ступке. Смесь прессуют в вакууме и получают прессовку-таблетку диаметром до 13 мм. Полученные таблетки могут храниться в экспираторе в течение нескольких месяцев , не ухудшая светопропускание.

Методика растирания с индифферентными жидкостями. В качестве индифферентной жидкости применяют обычное медицинское вазелиновое масло,представляющее собой смесь жидких углеводов. Навеску анализир.образца смешивают с минимальным кол-вом индифферентной жидкости и растирают в агатовой или яшмовой ступке. Полученную массу наносят стекл.палочкой в виде полоски на пластинку из кристаллического KBr и прижимают другой такой же пластинкой.
Операции по нанесению пасты на солевые пластинки проводят в тонких резиновых перчатках (во избежание соприкосновения пальцев рук легко повреждаемыми поверхностями солевых пластинок). Записывают ИК-спектр поглощения приготовленной таким путем пасты, помещая в канал сравнения двухлучевого спектрофотометра точно такие же пластинки с капиллярным слоем чистой индифферентной жидкости (для компенсации ее собственных полос поглощения).

Часто при использовании методики растирания образца с индифферентными жидкостями наблюдается уменьшение светопропускания, вследствие потерь ИК-излучения за счет его рассеивания частицами пасты. Также обнаруживается искажение контура полос поглощения вследствие различия коэффициентов светопреломления индифферентной жидкости и исследуемого вещества по отношению к ИК-лучам. Эти недостатки метода растирания с индифферентными жидкостями отсутствуют в методике прессования с бромидом или хлоридом калия.
Для получения высококачественного ИК-спектра поглощения вначале испытывают обе методики - прессования с KBr и растирания с вазелиновым маслом. Если в обоих случаях получают идентичные спектры , то в дальнейшем для анализа используют спектр, полученный методом прессования с KBr. Если же спектры, записанные с применением двух указанных методик, оказываются неодинаковыми, то это, скорее всего, означает, что анализируемое вещество провзаимодействовало с KBr, от методики прессования следует отказаться и отдать предпочтение методике растирания с вазелиновым маслом.

Жидкости. Для получения ИК-спектров чистых неводных жидкостей каплю исследуемой жидкости наносят на пластинку из KBr (или NaCl) прижимают такой же пластинкой и записывают спектр приготовленного таким путем образца с капиллярным слоем исследуемой жидкости , помещая в канал сравнения спектрофотометра чистую солевую пластинку из того же (KBr или KCl). Можно применить жидкостные кюветы с окошками из солевых пластинок KBr, NaCl, LiF, CaF2 и тд. с подходящей толщиной поглощающего слоя (обычно от долей до -1 мм) .
Растворы. ИК-спектры поглощения неводных растворов получают так же, как и спектры чистых неводных жидкостей, однако обычно исследуют не капиллярный - слой прижатый между двумя солевыми пластинами ), а применяют жидкостные кюветы с разной толщиной поглощающего слоя, помещая в канал сравнения спектрофотометра такую кювету с чистым растворителем. Концентрацию раствора подбираю зависимости от природы анализируемого вещества. Чаще всего записывают спектры растворов с несколькими различным концентрациями, с тем чтобы четко выявить в спектрах как малоинтенсивные, так и высоко- интенсивные полосы анализируемого вещества.

Газы. ИК-спектры поглощения газов записывают с применением газовых кювет (обычно с окошками из соленых пластинок KBr NaC) толщиной поглощающего слоя -10 см. Для этого из газовой кюветы, снабженной двумя газоотводными кранами, откачивают воздух, после чего кювету заполняют анализируемым газом (чистым или в смеси с аргоном, азотом, прозрачными по отношению к ик-лучам) при желаемом давлении и записывают спектр, помещая в канал сравнения спекрофотометра такую же газовую кювету, которую либо откачивают для удаления воздуха, либо заполняют аргоном или азотом.

Конечная идентификация. Во всех случаях окончательную идентификацию проводят, сравнивая полученный ИК-спектр поглощения со спектром эталона, либо записанного в тех же условиях, либо приведенного в том или ином источнике (атлас, фармакопея, фармакопейная статья, другая нормативная документация, научная литература и тд).
При записи ик-спектров поглощения твердых, жидких и газовых фаз в области ниже 400 см(-1)где заметно поглощение KBr используют пластинки или коветы с окошками из прозрачных в этой части ИК-спектра материалов, например, для области 45-600 см(-1)прессованногo полиэтилена , гoфрированного с одной стороны во избежание появления в спектре полос. Для получения спектров в области 200-400 применяют солевые пластинки из бромида цезия.
При продолжительной работе ИК-спектрофотометров их первоначальная градуировка по волновым числам может несколько измениться. Потому ее периодически контролируют в обычной рабочей области, записывая ИК-спектры поглощения эталонных образцов, В случае несовпадения максимумов полос в спектре полистирола с указанными выше либо корректируют положение максимумов полос в спектре анализируемого либо (при значительных изменениях градуировки) исправляют градуировку ИК-спектрофотометра.

Применение метода ИК-спектрометрии

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). 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.

Пищевая и парфюмерная промышленность.Экспрессный контроль сырья и готовой продукции: содержание белков, клетчатки, жира, влаги.
Экологический контроль. Контроль нефтепродуктов в воде и почве. Контроль атмосферного воздуха, воздуха рабочей зоны и выбросов промышленных предприятий.
Криминалистический, судебно-медицинский и биоклинический анализ. Качественный и количественный анализ природных веществ и продуктов синтеза. Идентификация наркотиков, ОВ и ВВ. Анализ следовых остатков веществ.
Фармацевтическая промышленность. Определение подлинности субстанций по ИК-стандартам, контроль качества лекарственных форм и сырья.

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность с высокой вероятностью предсказывать качественный и количественный состав химических соединений. Современные приборы позволяют осуществлять процедуру измерения этих показателей с достаточной точностью и высокой воспроизводимостью результатов измерений.

Основными достоинствами данного метода являются:

1.значительное сокращение времени на проведение анализа;

2. существенная экономия энергоресурсов;

3.приборы не требуют применения дорогостоящих расходных материалов и химических реактивов;

Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что сильно затрудняет работу в далекой ИК-области; сравнительно невысокая разрешающая способность длительная (в течение минут) регистрация спектров.

Использованная литература

«Аналитическая химия» Ю.Я.Харитонов (часть1)
«Аналитическая химия» Ю.Я.Харитонов (часть2)
https://works.doklad.ru/view/tK2fQ4-MLoc.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасная_спектрометрия