Спектральные (оптические) методы анализа. Анализ в ИК-области спектра

Спектры поглощения в инфракрасной (ИК) области обусловлены переходами между колебательными и вращательными уровнями молекул в основном электронном состоянии.

Инфракрасную спектроскопию можно применять как для качественного, так и для количественного анализа, а также для исследования структуры веществ. Строгие количественные определения с помощью ИК-спектров в практике технического анализа применяются редко. Обычно ИК-спектры используют для идентификации веществ или для обнаружения в молекуле исследуемого вещества тех или иных функциональных групп. Результирующий спектр молекулы может дать точный ответ о структуре лишь для простых случаев. Полная интерпретация спектров сложных молекул требует трудоемкого анализа, поэтому ИК-спектры сложных соединений сравниваются со спектрами простых соединений.

Сравнением большого числа спектров различных соединений было установлено, что колебательные полосы определенных групп атомов имеют одинаковые или близкие частоты независимо от окружающих их групп. Такие полосы поглощения называются характеристическими.

Таким образом, для отнесения пиков поглощения к соответствующим группам атомов необходимо воспользоваться специальными таблицами. Надо иметь определенный опыт пользования этими таблицами, так как полосы поглощения веществ различного типа могут перекрываться. При рассмотрении характеристических частот следует учитывать, что наличие сопряжения, водородной связи и т. п. может вызвать смещение характеристической полосы.

Информация, получаемая из ИК-спектров, как правило, достаточна для того, чтобы идентифицировать неизвестное соединение. В общем случае для надежной идентификации необходимо результаты ИК-спектроскопии дополнить информацией, полученной на основании данных элементного анализа, УФ-, ЯМР- и масс-спектроскопии.

Количественные исследования в ИК-области спектра также основаны на законе Бугера - Ламберта - Бера.

ИК-методы можно использовать для исследования твердых тел, газов и жидкостей. Процедура отличается способом подготовки образца. Для качественного исследования спектра жидкой фазы слой жидкости помещают между двумя пластинками, изготовленными из прозрачного для ИК-лучей материала. Толщина капиллярной пленки жидкости составляет при этом обычно около 10-100 мкм (10в-2-10в-1 мм). Наиболее распространенный материал для прозрачных в ИК-области кювет (пластинок) NaCl, КВr.

Растворитель, который используется для работы с образцами, должен пропускать ИК-излучение в области поглощения самого образца. Для области 4000-1330 см -1 чаще других используется четыреххлористый углерод, для области 1130-450 - сероуглерод. Из других распространенных растворителей следует назвать хлороформ, циклогексан, диоксан. Окончательное заключение о пригодности того или иного растворителя можно сделать после рассмотрения спектра раствора. Спектры растворителей приводятся в справочниках.

Концентрация растворенного вещества при использовании кюветы толщиной 0,1 мм должна составлять около 10% (т.е. 0,1 г в 1 мл).

ИК-спектры твердых веществ снимаются для пасты из порошка исследуемого вещества и небольшого количества иммерсионной жидкости (например, вазелинового масла), помещенной между двумя пластинками из КВr или NaCl. В канал сравнения помещают в этом случае пластинку из КВr или NaCl двойной толщины.

Навеску твердого вещества можно смешать с бромидом калия и запрессовать в таблетку (диск). Полученный образец снимается относительно диска, приготовленного из чистого бромида калия.

Образцы некоторых веществ могут быть приготовлены в виде пленки, спектр которой регистрируется непосредственно.

Для качественного спектрального анализа в ИК-области используют двухлучевые приборы. Один из двух эквивалентных лучей проходит через образец, второй - через кювету сравнения. Двухлучевая система дает возможность быстро записывать спектр в широком диапазоне частот.

Однолучевые приборы предпочтительнее использовать для количественных анализов. Оптика приборов должна быть прозрачна для ИК-лучей. Поэтому призмы, кюветы и другие соответствующие детали изготавливают из KВr, CsBr, NaCl и других материалов. Во всех ИК-спектрофотометрах используют отражательную оптику, так как в ИК-области спектра большинство металлических поверхностей обладает хорошей отражательной способностью.