Информация получаемая из ик спектров отражения. Спектроскопия в инфракрасной области

ИК-спсктроскопия базируется на изучении спектров поглощения в инфракрасной области спектра. В отличие от ультрафиолетового и видимого излучений поглощение ИК-излучения приводит к изменению колебательного и вращательного движений отдельных частей молекулы относительно друг друга.

Общие принципы ИК-спектроскопии

В нормальном состоянии в любой молекуле ядра атомов совершают малые колебания около положения равновесия. Поглощение инфракрасного излучения приводит к усилению этих колебаний, причем веществом поглощается только такое инфракрасное излучение, частота которого совпадает с частотой колебаний атомов.

В многоатомной молекуле все ядра совершают сложные колебательные движения, которые можно представить в виде суперпозиции так называемых нормальных колебаний, т.е. таких, при которых все ядра атомов молекулы колеблются с одинаковой частотой и фазой, а ее центр масс остается неподвижным. Число нормальных колебаний соответствует числу колебательных степеней свободы в молекуле. Например, у N -атомной нелинейной молекулы имеется (3N- 6) колебательных степеней свободы. Энергия каждого нормального колебания квантована, а полная колебательная энергия многоатомной молекулы равна сумме энергий ее нормальных колебаний.

Нормальные колебания принято подразделять на валентные (v), обусловленные движением атомов вдоль осей связей, и деформационные (5, л, г , т), при которых изменяются валентные углы, а длины связей практически не меняются. Частоты валентных колебаний более чем на порядок превышают частоты деформационных колебаний. У известных в настоящее время молекул частоты нормальных колебаний соответствуют инфракрасной области спектра - X от 2,5 до 100 мкм (от 4000 до 100 см ").

При нормальных колебаниях все ядра атомов колеблются с одинаковыми частотой и фазой, но разной амплитудой. Иногда амплитуда колебаний атомов, образующих определенную связь, может значительно превосходить амплитуду колебаний других атомов. Тогда частоту данных колебаний условно приписывают (относят) к колебаниям именно этой связи. Если эта частота мало изменяется при переходе от одной молекулы к другой, ее называют характеристической. Наличие в ИК-спектре вещества полос поглощения, соответствующих характеристическим частотам, однозначно указывает на присутствие в молекулах соответствующих им химических связей. Это обстоятельство широко используется для проведения структурно-группового анализа веществ по их инфракрасным спектрам поглощения. Характеристические частоты для разных типов химических связей можно найти в соответствующих таблицах.

Полосы поглощения, наблюдаемые в ИК-спектрах, часто имеют сложную структуру. Ее появление у веществ в газообразном состоянии обусловлено тем, что газообразные молекулы могут достаточно свободно вращаться. Каждый колебательный переход в молекуле сопровождается большим числом вращательных переходов. Поэтому в спектрах наряду с колебательными полосами по обе стороны от них присутствуют и полосы, отвечающие колебательно-вращательным переходам. По мере усложнения молекул отдельные узкие полосы накладываются друг на друга и наблюдаются широкие, слабо структурированные колебательно-вращательные полосы.

У кристаллических веществ колебательная структура не наблюдается, но вследствие взаимодействий молекул в кристалле в ряде случаев может наблюдаться расщепление одной полосы на несколько полос (мультипле- тов). Сильное уширепие полос в спектрах твердых и жидких веществ, а также их концентрированных растворов может быть связано с наличием межмолекулярных водородных связей.

Для регистрации ИК-спектров газообразных образцов используют специальные газовые кюветы, представляющие собой цилиндр длиной около 10 см с прозрачными в ИК-области спектра герметичными окнами из КВг или CaF 2 на торцах и вакуумными кранами для наполнения исследуемым газом и его откачки. Существуют многоходовые газовые кюветы, в которых с помощью зеркал обеспечивается многократное прохождение луча через исследуемый газ. В таких кюветах длина пути луча может составлять до 10 м.

Жидкости и жидкие растворы исследуют в виде тонких пленок заданной толщины, заключенных между двумя плоскопараллельными пластинками, изготовленными из галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов (LiF, КВг, CaF. ;). Толщина слоя жидкости задается тефлоновой прокладкой, помешенной между пластинками. В качестве растворителей применяют свободные от влаги жидкости, прозрачные в тех областях спектра, где ожидается появление спектральных полос растворенного вещества. Для этих целей чаще всего используются бензол, хлороформ, тетрахлорид углерода, тетрахлорэтилен, ацетонитрил, диоксан.

Твердые образцы анализируются либо в виде мелкодисперсной суспензии в вазелиновом масле или других аналогичных жидкостях, либо в виде таблеток из бромида калия, в которые на стадии изготовления вводится мелкодисперсный порошок анализируемого вещества. Для исследования тонких пленок их предварительно наносят на поверхность пластины высокоомного (удельное сопротивление не менее 10-15 Ом-см) кремния.

ИК-спектры обладают высокой специфичностью и поэтому широко используются для идентификации веществ. Не существует двух веществ, которые бы имели одинаковые ИК-спектры. В настоящее время имеются атласы, в которых приведены спектры различных органических, элементоорганических и неорганических соединений, условия подготовки образцов и регистрации спектров, а также модели спектрометров, на которых проводилась регистрация спектров.

Идентификация неизвестного вещества по его ИК-спектру заключается в сопоставлении его спектра с эталонным, приведенным в атласе. Учитывая, что спектры одного и того же вещества, полученные в разных условиях, могут различаться между собой, важнейшим условием корректного сравнения спектров является идентичность условий их регистрации.

Совпадение спектров двух веществ свидетельствует об их идентичности. Отсутствие в спектре исследуемого образца полос, присутствующих в спектре эталона, однозначно указывает на различие этих веществ. Присутствие в спектре исследуемого образца большего количества полос по сравнению со спектром эталона может свидетельствовать как о различии обоих веществ, так и о загрязнении образца примесями.

С помощью ИК-сиектроскоиии можно проводить качественный анализ смеси веществ неизвестного или частично известного состава, причем первый проводят после разделения смеси общеизвестными методами.

Используя основной закон светопоглощения, можно как проводить количественный анализ образцов, так и определять толщину полупроводниковых и диэлектрических пленок. Анализ смесей веществ методом ИК-снек- троскопии базируется на основном законе светопоглощения и законе аддитивности оптических плотностей. Поскольку величины молярных коэффициентов в И К области спектра сравнительно невелики (а ~ 1-Н0-10 3), предел обнаружения веществ методом ИК-спектроскопии достаточно высок (0,1-10 масс.%) при относительно низкой точности определения (5-20%).

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ

Р е ф е р а т

Инфракрасная спектроскопия

Выполнил: студент группы 11ТЭ,

факультета пищевой биотехнологии и товароведения

Лежепеков И. С.

Научный руководитель :

Климова Н.В.

Орел, 2009г

Введение…………………………………………………….3

Принцип метода…………………………………………3

Теоретические основы метода………………….............4

Приборы, аппаратура……………………………………6

Применение……………………………………………...10

Заключение…………………………………………………12

Список использованной литературы………………………13

Приложение

Введение.

Современное производство пищевых продуктов гарантированного качества требует использования хорошо воспроизводимых и точных экспресс-методов контроля показателей состава и свойств. Достижение стабильного высокого качества выпускаемой продукции неразрывно связано с организацией своевременного контроля качества сырья и полуфабрикатов на всех этапах технологического процесса. В этой связи, оснащение производственных лабораторий приборами экспресс-контроля позволяет своевременно реагировать на любое отклонение технологических параметров, 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

1.Принцип метода

Инфракрасная спектроскопия (ИК спектроскопия), раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК области, т.е. в диапазоне длин волн от 10 -6 до 10 -3 м. 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, давления и др Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геом. строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. 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.

2. Теоретические основы метода

Атомы в молекуле испытывают непрерывные колебания, а сама молекула вращается как целое, поэтому у нее возникают новые энергетические уровни, отсутствующие в изолированных атомах Молекула может находиться в нескольких энергетических состояниях с большей (E 2) или меньшей (E 1) колебательной энергией. Эти энергетические состояния называют квантованными. Поглощение кванта света с энергией Е, равной E 2 – E 1 , переводит молекулу из низшего энергетического состояния в более высокое. Это называют возбуждением молекулы.

В результате атомы, связанные друг с другом в молекуле, начинают более интенсивно колебаться относительно некоторых исходных положений. Если рассматривать молекулу как систему из атомов-шариков, сцепленных между собой пружинками, то пружинки сжимаются и растягиваются, вдобавок изгибаются.

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-спектр могут быть связаны с определенными функциональными группами, входящими в состав молекулы (Приложение). 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. Такие функциональные группы проявляются в диапазоне спектра от 4000 до 1600 см –1 .

Область спектра от 1300 до 625 cм –1 известна как область «отпечатков пальцев». Сюда попадают полосы поглощения, отвечающие колебаниям групп С–С, С–О, С–N, а также деформационные колебания. В результате сильного взаимодействия этих колебаний отнесение полос поглощения к отдельным связям невозможно. Однако весь набор полос поглощения в этой области является индивидуальной характеристикой соединения. Совпадение всех полос неизвестного (исследуемого) вещества со спектром заведомо известного эталона является прекрасным доказательством их идентичности. Параметрами молекулярных моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной поверхности (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др.

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 по степеням свободы, 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. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантово-химическими расчетами. И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодической системы.

3. 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. Последовательное выведение излучения различных длин волн на выходную щель и приемник излучения (сканирование) осуществляется поворотом призмы или решетки.

Работа прибора по двух лучевой схеме основана на нулевом методе. Радиация от источника излучения 1 направляется с помощью зеркал 2 - 5 по двум каналам: в одном канале (I) помещается исследуемый образец (6), в другом (II) - фотометрический клин (7) и образец сравнения (8).

С помощью прерывателя (9) пучки света из каналов I и II попеременно проходят через диспергирующую систему монохроматора, образуемую призмой 10 из солей LiF, NaCl или KBr, разлагаются в спектр и поступают на приемник радиации болометр. Когда интенсивность пучков в обоих каналах одинакова, на болометр поступает постоянная тепловая радиация и сигнал на входе усилителя не возникает. При наличии поглощения, на болометр падают лучи разной интенсивности и на нем возникает переменный сигнал. Этот сигнал после усиления смещает фотометрический клин, сводя до нуля разность поглощения образца и фотометрического клина. Фотометрический клин механически связан с пером, перо регистрирует величину поглощения.

Оптическая схема.

Источники излучения - накаливаемые электрическим током стержни из различных материалов. Приемники: чувствительные термопары, металлические и полупроводниковые термосопротивления (болометры) и газовые термопреобразователи, нагрев стенки сосуда которых приводит к нагреву газа и изменению его давления, которое фиксируется. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой. Достоинства приборов классической схемы: простота конструкции, относительная дешевизна.

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.

Фурье-спектрометр

В фурье-спектрометрах отсутствуют входная и выходная щели, а основной элемент - интерферометр. Поток излучения от источника делится на два луча, которые проходят через образец и интерферируют. Разность хода лучей варьируется подвижным зеркалом, отражающим один из пучков.

Первоначальный сигнал зависит от энергии источника излучения и от поглощения образца и имеет вид суммы большого числа гармоничных составляющих. Для получения спектра в обычной форме производится соответствующее фурье-преобразование с помощью встроенной ЭВМ. Достоинства фурье-спектрометра: высокое отношение сигнал: шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая (за секунды и доли секунд) регистрация спектра, высокая разрешающая способность (до 0,001 см 1). Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость.

Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, которые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра растворителя), изменение масштаба записи, вычисление экспериментальных спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и др. Кюветы для ИК спектрофотометров изготовляют из прозрачных в ИК-области материалов. В качестве растворителей используют обычно ССl 4 , СНСl 3 , тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Твердые образцы часто измельчают, смешивают с порошком КВr и прессуют таблетки. Для работы с агрессивными жидкостями и газами применяют специальные защитные напыления (Ge, Si) на окна кювет. Мешающее влияние воздуха устраняют вакуумированием прибора или продувкой его азотом. В случае слабо поглощающих веществ (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в которых длина оптического пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал.

Большое распространение получил метод матричной изоляции, при котором исследуемый газ смешивают с аргоном, а затем смесь замораживают. В результате полуширина полос поглощения резко уменьшается, и спектр получается более контрастным.

Применение специальной микроскопической техники позволяет работать с объектами очень малых размеров (доли мм). Для регистрации спектров поверхности твердых тел применяют метод нарушенного полного внутреннего отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем вещества энергии электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, которая находится в оптическом контакте с изучаемой поверхностью.

4. Применение

Инфракрасная спектроскопия широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых веществ. Количественный анализ основан на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних.

Для идентификации новых веществ (молекулы которых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусственного интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются молекулы структуры, затем строятся их теоретические спектры, которые сравниваются с экспериментальными данными. Исследование строения молекул и других объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах молекулярных моделей и математически сводится к решению точки назначения обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью специальной теории спектральных кривых к экспериментальным.

ИК-спектры измеряют для газообразных, жидких и твердых соединений, а также их растворов в различных растворителях. Некоторые области применения ИК спектроскопии

Химия и нефтехимия .
Качественный и количественный анализ сырья, промежуточных и конечных продуктов синтеза. Фракционный и структурно-групповой состав нефтепродуктов. Анализ топлив: эфиры, спирты, ароматика, октановое число. Фурье-спектрометры могут быть использованы для экспресс-анализ нефтей, газоконденсатов, природного газа и продуктов их переработки.

Химия полимеров.
Анализ сополимеров. Синтетические каучуки: состав, структурные характеристики. Анализ модифицирующих добавок: пластификаторы, антиоксиданты.

Фармацевтическая промышленность.
Определение подлинности субстанций по ИК-стандартам, контроль качества лекарственных форм и сырья.

Газовый анализ. Анализ многокомпонентных газовых смесей.
Контроль качества продукции газовой промышленности, анализ состава и влажности природного газа.

Электронная промышленность.
Контроль качества полупроводникового кремния и параметров тонких слоев. Анализ состава технологических газов.

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.

Заключение

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность с высокой вероятностью предсказывать качественный 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;

4. гораздо менее жесткие требования по специальной подготовке предъявляются к обслуживающему персоналу, производящему рутинные измерения (по сравнению с их коллегами, осуществляющие традиционные лабораторные методы анализа).

Список использованной литературы.

1. Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул, пер. с англ., М., 1957;

2. Кросс А., Введение в практическую инфракрасную спектроскопию, пер. с англ., М., 1961;

3. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979, 240 с.;

4. Сильверстейн Р., Басслер Г., Моррил Т. Спектрометрическая идентификация органических соединений. М.: Мир, 1977, 590 с. спектроскопии в химии, пер. с англ., М., 1959;

5. Чулановский В. М., Введение в молекулярный спектральный анализ, 2 изд., М.-Л., 1951.

Приложение

Таблица «Частоты характеристических колебаний с участием одинарных связей»

			Отнесение и примечания
			С-С связей. Обычно наблюдается несколько полос. Для целей идентификации не применяется
			ν as (C–О–C) в ациклических эфирах
			ν as (C–О–C) в алкилариловых и алкилвиниловых эфирах
			ν(C–О) соответственно в первичных, вторичных и третичных спиртах, указания ориентировочны
			ν(C–О) в фенолах
			ν(C–N) в ароматических аминах и амидах
			ν(C–N) в алифатических аминах и амидах
			ν(C–N) в нитросоединениях
			В монофторзамещенных
			В ди- и полифторзамещенных. Чем выше степень замещения, тем выше частота
			В монохлорзамещенных. В полихлорзамещенных выше - до 800 см -1
			В ароматических соединениях
			Наблюдается наряду с δ(СН 3) при 1360 см -1
	1430 1115 ± 25	оч.с оч.с	Точное отнесение неизвестно
			в алифатических эфирах

Таблица ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ НЕКОТОРЫХ ГРУПП
Группа (тип колебаний)	Волновое число, см –1
O–H (валентные)
N–H (валентные)
C–H (валентные)
C C (валентные)
C=O (валентные)
C=N (валентные)
C=C (валентные)
N–H (деформационные)
C–H (деформационные)
O–H (деформационные)

Инфракрасные спектры органических соединений

ИК-спектр н-гексана СН 3 (СН 2 ) 4 СН 3

ИК-спектр гексена-1 СН 2 =СН(CH 2 ) 3 СН 3

ИК-спектр гексанола-2 СН 3 (CH 2 ) 3 СН(ОН)СН 3

ИК-спектр гексанона-2 СН 3 (CH 2 ) 3 С(О)СН 3

ИК-спектр толуола СН 3

Задача. Какому из приведенных ниже соединений принадлежит ИК-спектр, показанный на рис Объясните ваш выбор.

ИК-спектр неизвестного соединения

Решение. В области 1800–1650 см –1 поглощение отсутствует, поэтому соединение не содержит С=О-группы. Из двух остающихся веществ – фенола и бензилового спирта – выбираем спирт, т. к. в спектре есть полоса  C–H =2950–2850 см –1 группы СН 2 (углерод в состоянии sp 2 -гибридизации).

Курсовая работа

Методы инфракрасной спектроскопии и их техническая реализация

Введение

Спектроскопия − раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. Области применения спектроскопии разделяют по объектам исследования: атомная спектроскопия, молекулярная спектроскопия, масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и другие.

Возникновение спектроскопии можно отнести к 1666, когда И. Ньютон впервые разложил солнечный свет в спектр. Важнейшие этапы дальнейшего развития спектроскопии − открытие и исследование в начале 19 в. линий поглощения в солнечном спектре (фраунгоферовых линий), установление связи спектров испускания и поглощения (Г.Р. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1859) и возникновение на её основе спектрального анализа. С его помощью впервые удалось определить состав астрономических объектов − Солнца, звёзд, туманностей. Во 2-й половине 19 − начале 20 вв. спектроскопия продолжала развиваться как эмпирическая наука, был накоплен огромный материал об оптических спектрах атомов и молекул, установлены закономерности в расположении спектральных линий и полос. В 1913 Н. Бор объяснил эти закономерности на основе квантовой теории, согласно которой спектры электромагнитного излучения возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомных систем в соответствии с постулатами Бора. В дальнейшем спектроскопия сыграла большую роль в создании квантовой механики и квантовой электродинамики, которые, в свою очередь, стали теоретической базой современной спектроскопии. Эти исследования были развиты дальше Рубенсом, который вполне подтвердил справедливость формулы Планка (1921) г.

Развитие исследования инфракрасной области спектра и усовершенствование экспериментальной методики ведут ко все большему выяснению структуры материи и ряда вопросов квантовой механики. Особенное значение приобретает проблема количественного измерения интенсивностей, а также измерений в длинноволновой части спектра.

Если мы захотим разделить историю инфракрасной спектроскопии на периоды (хотя резкой границы проводить и нельзя), то время до работ Ланглея можно назвать пионерским периодом после которого начинается общее широкое изучение спектра и энергичная разработка методов его изучения; тогда же были установлены и основные закономерности. Можно считать, что этот период заканчивается со смертью Рубенса в 1923 г., после которой мы вступаем в полосу углубленного детального изучения.

В развитии спектроскопии как физического метода исследования вещества можно выделить два основных этапа. Первый этап представляет собой период эмпирического накопления фактов − разложение белого цвета в спектр с помощью призмы, наблюдение линий и полос поглощения; установление многих закономерностей − связь между поглащательной и излучательной способностью вещества, влияние на спектральные линии внешних магнитных и электрических полей, а также попыток теоретического описания наблюдаемых зависимостей.

Второй этап, начавшийся после формулировки Бором в 1913 г.

своих знаменитых квантовых постулатов и последовавшего за этим бурного развития квантовой теории, ознаменовался тем, что спектроскопия была наставлена на прочную научную основу. Значительный вклад в это внесли русские и советские ученые. Наряду с созданием теоретических основ спектроскопии, которые привели к открытию ряда новых оптических эффектов (явление комбинационного рассеяния света). Все это создало предпосылки для широкого внедрения спектроскопических методов исследования в самые различные области науки и практики.

Методами спектроскопии исследуют уровни энергии атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем и квантовые переходы между уровнями энергии, что даёт важную информацию о строении и свойствах вещества. В качестве объектов спектроскопического исследования могут быть использованы самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях. В простейшем случае это разреженный газ, среднее расстояние между молекулами которого настолько велико, что их можно рассматривать изолированно друг от друга. В наиболее сложном случае это конденсированное тела, в котором каждая образующая его частица находится под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим из спектроскопических данных можно получить информацию как о структуре и свойствах молекул, так и о силах межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, о строении вещества в целом.

С помощью инфракрасных спектров органических соединений мы можем определить состав вещества, причем установить не только элементный состав, но и структурные особенности.

1. Происхождение ИК-спектров

Инфракрасная спектроскопия − раздел спектроскопии, охватывающий длинноволновую область спектра (более 730 нм за красной границей видимого света). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно − в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии - для обнаружения и определения веществ, при помощи измерения их характеристических спектров, т.е. методами спектрометрии.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Он основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных, электронных колебаний молекул. В основе этого метода лежит такое физическое явление, как инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Обычно для изображения ИК-спектров используют частоту, реже длину волны. Число характеристических полос поглощения атомных групп, их интенсивность и положение максимумов, наблюдаемых на инфракрасных спектрах, дают представление о строении индивидуального соединения или о компонентном составе сложных веществ. Интенсивность полосы поглощения определяется величиной, которую поглощают атомные или функциональные группы образца при прохождении через них инфракрасных лучей. Важным диагностическим показателем полос поглощения является величина пропускания. Данный показатель и концентрация вещества в снимаемом объекте связаны обратной пропорциональной зависимостью, что используется для количественных определений содержания отдельных компонентов.

Инфракрасная спектроскопия занимается главным образом изучением молекулярных спектров, так как в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Исследование строения молекул и других объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах молекулярных моделей и математически сводится к решению обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью специальной теории спектральных кривых к экспериментальным.

Инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать пространственные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, регистрировать короткоживущие (время жизни до 106 с) частицы, получать данные для вычисления термодинамических функций, установление формы нормальных колебаний, распределение колебательной энергии по степеням свободы, положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в том числе полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантово-химическими расчетами. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наибольшее распространение в органической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геометрические параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.

Инфракрасная спектроскопия имеет ряд преимуществ перед спектроскопией в видимой и ультрафиолетовой областях, так как позволяет проследить изменение всех основных типов связей в молекулах исследуемых веществ. При использовании инфракрасной спектроскопии для определения качественного и количественного состава природных смесей не происходит разрушение веществ, что позволяет применять их для последующих исследований.

1.1 Классическая теория колебательных спектров

Колебательные спектры являются чрезвычайно специфическими и чувствительными характеристиками молекул, поэтому их широко применяют в химических исследованиях. Достоинством методов колебательной спектроскопии является то, что их можно использовать для исследования практически любого вещества в любом агрегатном состоянии (газообразном, жидком или твердом, в том числе кристаллов). Этот метод анализа основан на записи инфракрасных спектров поглощения вещества. Поглощение веществом в области инфракрасного излучения происходят за счет колебаний атомов в молекулах. Для получения колебательных спектров достаточно очень малого количества исследуемого материала (в зависимости от типа и чувствительности спектрометра, вплоть до нескольких миллиграммов).

Различают несколько типов колебаний атомов в многоатомной молекуле: валентные (изменяется расстояние между атомами) они делятся на симметричные и антисимметричные; деформационные (изменяется угол между связями без изменения их длины) (рисунок 1, а - в).

а бв

а − валентно-симметричные; б − валентно-антисимметричные; в − деформационные

Рисунок 1.Колебания атомов в трехатомной молекуле SO

При валентно-симметричных колебаниях дипольный момент не меняется (нет линий в ИК-области). Колебания валентно-антисимметричные и деформационные нарушают симметричность молекулы, появляется дипольный момент и, как следствие, возникают линии в ИК-области. Переходы между различными колебательными состояниями в молекулах квантованы, благодаря чему поглощение в ИК-области имеет форму спектра, где каждому колебанию соответствует своя длина волны. Длина волны для каждого колебания зависит от того какие атомы в нем участвуют, и кроме того она мало зависит от их окружения. То есть для каждой функциональной группы, характерны колебания определенной длины волны, точнее говоря даже для каждой группы характерен ряд колебаний (соответственно и полос в ИК-спектре). Именно на этих свойствах ИК-спектров основана идентификация соединений по спектральным данным. (рисунок 2).

Рисунок 2. Графическое представление вращательного, колебательного, электронного переходов

Из всех колебательных переходов наиболее вероятным является переход на ближайший колебательный подуровень. Ему соответствует спектральная линия, называемая основной. Менее вероятным переходом на более высокие колебательные подуровни отвечают спектральные линии, называемые обертонами. Их частота в 2, 3 и т.д. раз больше, чем частота основной линии, а интенсивность гораздо меньше. Основную линию обозначают буквой n, а обертоны 2n, 3n и т.д. Большинство известных колебательных частот лежит в диапазоне 1012-1014 Гц, что соответствует инфракрасному (ИК) диапазону электромагнитного излучения.

Основными методами колебательной спектроскопии являются ИК-спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния света (КР), также называемая Рамановским рассеянием. ИК-спектры являются спектрами поглощения, и при их интерпретации оперируют понятиями полос поглощения.

ИК-спектрометры, позволяют быстро получать колебательные спектры жидкостей и газов, а также твердых тел, достаточно прозрачных в исследуемой области частоты излучения (приблизительно 40-6000 см-1 для самых распространенных приборов), что позволяет производить качественный и количественный анализ образцов. Вследствие того, что некоторые колебательные переходы могут быть запрещены правилами отбора, ряд колебательных частот, присущих характерным структурным группам, может отсутствовать в спектрах, регистрируемых ИК-спектрометрами. В этом случае на помощь может прийти метод КР, если соответствующие спектральные полосы разрешены правилами отбора для излучательных переходов.

Рисунок 3. Примеры колебательных спектров

.2 Квантово-механическое представление колебательных спектров

Применение методов колебательной спектроскопии требуют разной глубины знания теории колебательных спектров. Современная электронно-вычислительная техника позволяет проводить теоретический расчет колебательного спектра и ряда молекулярных параметров даже для сравнительно сложных молекул.

Колебательные энергетические уровни молекулы можно получить решением соответствующей квантово-механической задачи. Cостояния молекулы как единой системы из ядер и электронов описываются полной волновой функцией Y. Квантово-механический оператор Ĥ (гамильтониан) в волновом уравнении Шредингера

ĤY= ЕY

определяющем энергии Е стационарных состояний, включает члены, связанные с орбитальным и спиновым движением электронов: колебательным и вращательным движение ядерного скелета (поступательным движением можно пренебречь).

В приближении, учитывающем большое различие масс и подвижностей электронов и ядер, возможно, прежде всего, разделение электронного и ядерного движения, причем для волновых функций - с точность до (m/M)Ѕ, а для энергий - с точностью до (m/M)ј, где m - масса электронов, а М - масса ядер. Тогда можно записать: Y= YeYn и Ĥe+Ĥn, где Ye и Ĥe относятся только к электронному движению, а Yn и Ĥn - только к движению ядер. В достаточно хорошем для многих целей приближении можно разделить также колебательное и вращательное движения ядерного скелета, т.е. представить

Y= YeYuYr и Ĥ= Ĥе+ Ĥu+ Ĥr,

что дает возможность решать три уравнения вида (1) отдельно и находить соответственно энергии электронных, колебательных и вращательных состояний молекулы, составляющих полную энергию Е= Ее+ Еu+ Еr.

Нас будет интересовать здесь результат решения только колебательно уравнения

ĤuYu= ЕuYu

Для рассмотрения колебательного движения требуется ввести координаты, которые описывали бы только относительные смещения ядер. Поступательное движение молекулы может быть описано тремя координатами, характеризующими положение центра масс, а вращательное движение - тремя координатами, в качестве которых могут быть выбраны углы, описывающие ориентацию молекулы относительно внешней системы координат с началом в центре масс. В случае линейной молекулы ее ориентация полностью характеризуется двумя независимыми координатами. У двухатомной молекулы имеется лишь одна колебательная степень свободы (n=1), т.е. только одна координата Q=Dr, представляющая изменение межъядерного расстояния, от которой зависит колебательная волновая функция. Для N-атомной молекулы можно ввести n = 3N-6 (для линейной 5N-5) таких координат Qk, что каждая из них полностью характеризует смещение ядер относительно равновесных положений в каком-то одном основном колебательном состоянии. Это так называемые нормальные координаты.

При использовании нормальных координат колебательную волновую функцию и колебательную энергию N-атомной молекулы можно представить соответственно как произведение:

И сумму:

В гармоническом приближении Yk и Ek - собственные функции и собственные значения операторов , зависящих только от одной координаты Qk:

где ħ= h/2p; h - постоянная Планка; lk = 4p2nk2.

Этот оператор приводит к уравнению Шредингера для гармонического осциллятора. Его собственные значения энергии:

где uk = 0, 1, 2, 3,… − колебательное квантовое число, а uek - колебательная постоянная.

Для двухатомных молекул индекс k везде можно отпустить, считая Q=Dr, а постоянная , т.е. совпадает с выражением классической частоты гармонических колебаний. Здесь m = m1m2/m1 + m2 - приведенная масса двухатомной молекулы с ядрами, имеющими массы m1 и m2; ke - гармоническая силовая постоянная, представляющая вторую производную функции потенциальной энергии в точке равновесия, т.е. . Потенциальная кривая для реальной двухатомной молекулы приближенно аппроксимируется функцией Морзе:

где De и b - постоянные.

Вместе с параболической функцией гармонического осциллятора эта функция показана на рисунке 4. Система уравнений энергии реально является сходящейся к пределу, а не системой равноотстоящих уровней, согласно формуле (12), получающейся в гармоническом приближении.

Колебательная энергия многоатомной молекулы в гармоническом приближении является функцией n колебательных квантовых чисел uk:

где dk - степень вырождения (может равняться 1, 2, 3) колебательного состояния, которое считается один раз, т.е. при наличии вырождения n<3N-6 (или 3N-5).

Волновая колебательная функция многоатомной молекулы как произведение волновых функций гармонического осциллятора имеет вид:

где Nu - нормировочный множитель; Нuk - полином Эрмита.

Вырожденные состояния совпадают по энергии, но характеризуются разными волновыми функциями (разных координат).

Таким образом, у многоатомной молекулы имеется набор колебательных состояний с определенной энергией, зависящей от n колебательных квантовых чисел uk, характеризуемых колебательной волновой функцией, зависящей от всех 3N-6 (или 3N-5) колебательных координат.

Уровни, характеризуемые набором квантовых чисел, из которых только одно имеет значение одно, а остальные равны нулю, называются главными или фундаментальными. Если какое-то одно квантовое число uk имеет значение больше единицы, а остальные равны нулю, то уровень называется обертонным. Когда два или более квантовых чисел, характеризуемых уровень, отличны от нуля, уровень называют составным или комбинированным.

Колебательный спектр вещества наблюдается при поглощении им ИК-излучений или комбинационном рассеянии света, когда в результате взаимодействия молекул с фотонами hn происходят изменения колебательных состояний, т.е. молекулы переходят на другие уровни энергии. Разность энергий состояний, между которыми происходит переход, равна согласно соотношению Бора:

DE= hn= hc w

где n - частота поглощаемого (или испускаемого) излучения.

В ИК-спектре поглощения интенсивность пропорциональна вероятности, т.е. и квадрату момента перехода ïМuï2:

где − оператор электрического дипольного момента, являющийся функцией колебательных координат.

Имея в виду связь момента с его проекциями на оси координат

можно записать также составляющие

которые являются определенными интегралами по всему координатному пространству, т.е. числами, и не меняются при выполнении операции симметрии.

Чтобы переход между состояниями и был возможен, по крайней мере одна из составляющих Mx, My, Mz должна быть отлична от нуля. Интенсивность же зависит от значения этих составляющих. Если в приближении малых колебаний (смещений) провести разложение mx (my, mz) в ряд по степеням Qk около положения равновесия, то, опуская выкладки и пренебрегая высшими членами разложения, имеем

(в аналогичные выражения для My и Mz). Таким образом, чтобы переход был возможен, хотя бы одна из производных

должны быть не равна нулю.

В зависимости от того, какая из проекций Vx, My или Mz ¹0 или какая является наибольшей, говорят о поляризации перехода вдоль соответствующей оси. Это дает иногда возможность выделять так называемые параллельные и перпендикулярные переходы. Относительная интенсивность полос спектра для различных типов переходов зависит от заселенности колебательных состояний или уровней.

N(u)= nN exp (- E(u)/kT),

При комнатной температуре наиболее заселенным является уровень нулевой колебательной энергии. Соответственно этому наиболее интенсивны в спектре полосы основных или фундаментальных частот.

Колебательно-вращательные спектры молекул в газовой фазе при достаточно высоком разрешении могут иметь развитую вращательную структуру, изучение которой может представлять как самостоятельный интерес, особенно для сравнительно простых молекул, так и служить для интерпретации самих колебательных спектров. Теория колебательных спектров молекул в конденсированных фазах усложняется межмолекулярным взаимодействием и влиянием кристаллического поля.

2. Принципы устройства ИК-спектрометров

При множестве различных типов современных ИК - спектрометров по общим принципам устройства их можно разделить на две основные группы. Первая включает приборы с последовательным сканированием и регистрации спектра с помощью одноканального приемника, а вторая - спектрометры, в которых на приемник попадает сразу излучение всего изучаемого спектрального диапазона, но сигналы преобразуются и расшифровываются так, что получается информация о каждом отдельном участке и регистрируется полный спектр во всем диапазоне. ИК спектрометры по схеме освещения бывают однолучевые и двухлучевыми. При однолучевой схеме спектр поглощения исследуемого объекта регистрируется на спадающей с длиной волны кривой интенсивности излучения источника вместе с фоновым поглощением. Чтобы получить спектр (в процентах пропускания), нужно зарегистрировать также кривую интенсивности испускания источника (фоновый спектр). Принимая интенсивность при каждой l в этих спектрах соответственно как Il и I0l находят значение пропускания Tl = (Il /I0l)×100% и стоят по точкам спектральную кривую в зависимости от l (или w) или аналогично для поглощения (1-T)×100%, или в шкале оптической плотности A= lg (1/ T).

Теперь чаще используется двухлучевая схема, которая позволяет выравнивать фон, т.е. линию полного пропускания, и компенсировать поглощение атмосферных паров H2O и CO2, а также ослабление пучков окнами кювета и, если необходимо, поглощение растворителей.

Регистрация спектра осуществляется следующим образом. ИК− излучение от источника 1 делится на два пучка. Рабочий пучок проходит через образец, а пучок сравнения - через компенсатор (кювета с растворителем, окно и т.п.). С помощью прерывателя 5 пучки поочередно направляются на входную щель 6 монохроматора и через нее на диспергирующий элемент 7. При медленном его повороте (или повороте зеркала Литтрова за призмой), осуществляемой мотором развертки 14, через выходную щель 8 монохроматора на приемник 9 последовательно проходят вырезаемые щелью узкие по интервалу длин волн лучи. Если излучение данной длины волны в рабочем пучке и пучке сравнения имеет разную интенсивность, например ослаблено в рабочем пучке поглощением образца, то на приемнике возникает переменный электрический сигнал. После усиления и преобразования этот сигнал поступает на мотор отработки 11, который приводит в движение фотометрический клин 12 (диафрагму) до уравнивания потоков излучения. Движение фотометрического клина связано с движением пера самописца 13 по ординате, а поворот диспергирующего элемента - с протяжкой бумажной ленты или движением держателя пера по абсциссе. Таким образом, в зависимости от градуировки в процессе сканирования может регистрироваться спектральная кривая зависимости пропускания (поглощения) в процентах или оптической плотности образца от волнового числа (или длины волны).

Принципиальной частью сканирующих спектрометров является монохроматор. В качестве диспергирующего устройства в нем могут служить призмы из прозрачных в ИК - области материалов с подходящей дисперсией или дифракционные решетки. Поскольку дисперсия материалов является наибольшей у длинноволнового предела их прозрачности и быстро падает с уменьшением длины волны, в средней ИК − области используют обычно сменные призмы, изготовленные из монокристаллов LiF, NaCI, KBr.

В настоящее время призмы все более заменяются дифракционными решетками. Но решетки, на порядок лучше пропуская лучистую энергию по сравнению с призмой, имеет тот недостаток, что дает наложение спектров высших порядков. Он не устраняется наличием в спектрометре нескольких сменных решеток для разных спектральных областей и требует, особенно в длинноволновой области, где интенсивность излучения очень мала, хороших спектральных фильтров.

В качестве источников непрерывного ИК - излучения используются обычно силитовый стержень - «глобар» (штифт из карбида кремния) или штифт Нернста (из оксидов редкоземельных элементов).

В связи со слабостью источников возникает проблема фильтрации полезного излучения. Используются четыре основные типа фильтров: поглощающие (кристаллический кварц, кристаллы галогенидов щелочных металлов, пластинки из некоторых полупроводниковых материалов), отражающие (ионные кристаллы - фильтры остаточных лучей), рассеивающие (металлические сетки, алюминиевые пластинки с шероховатой поверхностью), интерференционные (плоскопараллельные слои из прозрачных материалов с разными показателями преломления).

Как приемники излучения в спектрометрах для средней ИК - области используются чувствительные термопары («термостолбики») или болометры, построенные по принципу термометров сопротивления. Площадки тепловых приемников порядка от десятых до целых мм2 для большей эффективности покрываются чернью, и приемник помещается в эвакуированный корпус с окном, прозрачным для ИК - излучения.

К тепловым источникам относится также пневматический или оптико - акустический приемник, в котором под действием излучения происходит тепловое расширение газа. Газ помещается в зачерненной камере с гибкой стенкой, имеющее зеркальное внешнее покрытие. Движение отраженного зеркалом светового луча регистрируется фотоэлементом. Этот приемник изготовляется обычно для длинноволновой ИК - области, где используется также другая группа приемников: квантовые или фотонные, например: такие приемники с фотопроводимостью.

Фурье-спектроскопия имеет ряд достоинств. Два главных преимущества перед обычными спектрометрами заключается в следующем. Здесь в интерферометре в течении всего времени сканирования получается информация одновременно обо всем исследуемом спектральном диапазоне, а в обычном спектрометре в разные моменты времени получается информация только об узких спектральных полосах исследуемого диапазона. Так же дает возможность повышения разрешающей силы интерферометра без уменьшения потока лучистой энергии. Разрешающая способность фурье − спектрометра пропорциональна максимальной разности хода пучков и, чтобы повысить, например, вдвое разрешение спектра, нужно просто удвоить длину перемещения зеркала, т.е. и время регистрации, возможность использовать большие углы как у источников, так и у приемника. У дифракционных спектрометров разрешение находится в обратно пропорциональной зависимости от ширины щелей, а энергия, попадающая на приемник, пропорциональна квадрату площади двух одинаковых щелей. Если вдвое уменьшить ширину щелей (для повышения разрешения), то сигнал уменьшится в четыре раза и для сохранения отношения сигнала к шуму время регистрации необходимо увеличить в 16 раз.

Достоинства фурье-спектроскопии: очень высокая чувствительность и точность измерений интенсивности, особенно при многократном сканировании и накоплении сигнала; очень высокое разрешение и высокая точность определения волновых чисел; быстродействие, т.е. возможность быстрого исследования широкой спектральной области (время сканирования для интервала в несколько сотен см-1 составляет менее 1с), и др.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Метод ИК-спектроскопии, применение метода ИК- спектроскопии в фармацевтическом анализе

Введение

1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии

2. Характеристика колебаний

3. Использование инфракрасной спектроскопии для качественного обнаружения и определения структуры

4. Приборы для инфракрасной спектроскопии

5. Подготовка образца

6. Идентификация

6.1 Идентификация с использованием стандартных образцов

6.2 Идентификация с использованием эталонных спектров

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Фармацевтическая химия - наука, которая, базируясь на общих законах химических наук, исследует способы получения, строения, физических и химических свойств лекарственных веществ, взаимосвязь между их химической структурой и действием на организм, методы контроля качества и изменения, происходящие при хранении.

Основными методами исследования лекарственных веществ в фармацевтической химии являются анализ и синтез.

Задачи, стоящие перед фармацевтической химией, решаются с помощью классических физических, химических и физико-химических методов, которые используются как для синтеза, так и для анализа лекарственных веществ.

Но способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с созданием новых ЛС и непрерывным повышением требований к их качеству. Причем растут требования как к степени чистоты ЛВ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование для оценки качества ЛС не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов.

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости физических свойств веществ (например, светопоглощения, электрической проводимости и т.д.) от их химического состава.

К данным методам анализа относятся: оптические методы; методы, основанные на поглощении излучения; методы, основанные на испускании излучения; методы, основанные на использовании магнитного поля; электрохимические методы; методы разделения; термические методы.

Спектроскопия -- раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. (Спектральные методы основаны на поглощении электромагнитного излучения определяемым веществом).

Области применения спектроскопии разделяют по объектам исследования: атомная спектроскопия, молекулярная спектроскопия, масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и другие.

Инфракрасные спектры (колебательные спектры) (ИК-спектры) возникают вследствие поглощения энергии электромагнитного излучения при колебаниях ядер атомов в молекулах или ионах, которые сопровождаются изменением дипольных моментов, и представляют собой зависимость пропускания или поглощения от длины волны (л) или частоты колебаний (н).

Метод ИК- спектроскопии играет важную роль в идентификации химических и органических веществ, благодаря тому, что каждое химическое соединение имеет неповторимый ИК- спектр.

1. С ущность метода инфракрасной спектроскопии

Под инфракрасной областью (ИК-область) подразумевают электромагнитное излучение в области длин волн от 0,78 до 400 мкм. Область от 780 до 2500 нм (от 0,78 до 2,5 мкм) рассматривается как ближняя ИК-область, область от 2,5 до 25 мкм (от 4000 до 400 см -1) относится к средней ИК-области спектра и область от 25 до 400 мкм относится к дальней ИК-области. Наиболее часто используется средняя ИК-область.

Длину волны (л) в ИК-спектрах обычно измеряют в микрометрах (микронах), мкм.

Поскольку частота колебаний в ИК-спектрах имеет большие числовые значения, обычно используют не частоты (н), а волновые числа (), которые измеряются в см -1 и связаны с частотой (н ) уравнением:

= н /с ,

где н - частота, Гц (с -1);

с - скорость света в вакууме, см с -1 .

Волновое число () связано с длиной волны (л, мкм) соотношением:

= 10 4 /л.

Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы. Спектральные характеристики индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрии строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому инфракрасные спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений.

Для того что бы понять принципы, на которых основана ИК-спектроскопия, необходимо познакомиться с внутренним движением атомов в молекуле. Молекулы представляют собой динамические системы. Ковалентно связанные атомы не остаются неподвижными друг относительно друга, а непрерывно совершают колебания различного типа, важнейшие из которых - валентные и деформационные.

2. Характеристика колебаний

Валентными колебаниями называются колебания двух атомов вдоль линии связи и приводящих к изменению расстояния между атомами (расстояние между двумя атомами уменьшается или увеличивается, но атомы сохраняются на своей оси валентной связи).

Они обозначаются «н».

Валентные колебания могут быть:

Деформационные колебания требуют меньше энергии по сравнению с валентными, а значит, полосы соответствующие этим колебаниям имеют меньшие волновые числа.

При действии на молекулу излучением соответствующему ИК- области происходит изменение колебаний. При этом возникают полосы поглощения.

Графически их изображают в виде зависимости величины поглощения от частоты.

3. Использование инфракрасной спектроскопии для качественного обнаружения и определения структуры

инфракрасный спектроскопия фармацевтический лекарственный

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений.

При инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках.

Особенностью метода инфракрасной спектроскопии является то, что полосы поглощения одного и того же вида колебаний атомной группы различных веществ располагаются в определенном диапазоне инфракрасного спектра (например, 3720-3550 см-1- диапазон валентных колебаний групп -ОН; 3050-2850 см-1 - групп -СН, -СН2, -СН3 органических веществ). Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества (так, максимум 3710 см-1 свидетельствует о наличии групп -ОН, а максимум 3030 см-1 - о присутствии групп =С-Н ароматических структур).

При анализе условно выделяют 4 области:

3700-2500 см -1 - область одинарных связей («водородных»);

2500- 1900 см -1 - область тройных связей;

1900- 1300 см -1 - область двойных связей;

Менее 1300 см -1 - область отпечатков пальцев (специфическая для каждого вещества).

Число характеристических полос поглощения атомных групп, их интенсивность и положение максимумов, наблюдаемых на инфракрасных спектрах, дают представление о строении индивидуального соединения или о компонентном составе сложных веществ. Интенсивность полосы поглощения определяется величиной, численно равной энергии, которую поглощают атомные или функциональные группы образца при прохождении через них инфракрасных лучей. Важным диагностическим показателем полос поглощения является величина пропускания. Данный показатель и концентрация вещества в снимаемом объекте связаны обратной пропорциональной зависимостью, что используется для количественных определений содержания отдельных компонентов.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать твердую, жидкую фазы биологической массы. Этот метод позволяет изучать образец в целом, без его расчленения и предварительных химических обработок, а также использовать малые навески.

4. Приборы для инфракрасной спектроскопии

Могут быть использованы инфракрасные спектрофотометры, снабженные оптической системой (призмы или дифракционные решетки), выделяющей монохроматическое излучение в измеряемой области, или спектрофотометры с Фурье-преобразованием. В последних используется полихроматическое излучение и рассчитывается спектр в заданной области частот путем Фурье-преобразования исходных данных. В таких приборах вместо диспергирующего прибора используется интерферометр, а обработка спектральных данных производится с помощью компьютера.

Снятие ИК- спектра проводят в области 4000-400 см -1 . Источник ИК излучения 1 испускает излучение, которое с помощью сферических зеркал 2 фокусируется на кювету с веществом 3 и кювету сравнения 4 . Прошедшее через кювету излучение через систему зеркал 5, поступает на монохроматор. В качестве монохроматора используется призма или две дифракционные решетки. Призма медленно вращается вокруг своей оси, при каждом угле поворота через выходные щели 7 на детекторы 8 поступает излучение какой-то строго определенной длины волны. Если в какой-то момент времени на детекторы поступают излучения, которые в кювете с веществом не поглотилось, то интенсивность излучения падающего на оба детектора будет одинаково, а значит, электрический сигнал от них будет взаимовычитаться и давать нулевую линию на спектре. Если при следующем повороте призмы она начинает пропускать излучение, которое поглощается исследуемым веществом, то интенсивность излучения падающего на оба детектора будет разные. В результате вычитания сигналов детектора приведет к появлению полосы поглощения на графике.

В качестве источника излучения используют цилиндр длиной 2см, толщиной 1мм, изготовленный из оксидов редкоземельных элементов, нагретый до t=15000 0 С (силитовые стержни), с проходящим через него электрический ток. Вся оптика в ИК - спектроскопии (кюветы, зеркала, монохроматор) изготовлены из солей KBr, NaCl, CaCl 2. Поскольку обычное стекло и кварц ИК излучение поглощают. В качестве детекторов используется термобар.

5. П одготовка образца

Для записи спектра пропускания или поглощения готовят образец субстанции по одной из следующих методик.

Жидкости. Жидкости исследуют в форме пленки между двумя пластинками, прозрачными для инфракрасного излучения, или в кювете с малой (обычно 0,01 - 0,05 мм) толщиной слоя, также прозрачной для инфракрасного излучения.

Жидкости или твердые вещества в растворе. Готовят раствор испытуемой субстанции в подходящем растворителе. Выбирают концентрацию вещества и толщину слоя кюветы, позволяющие получить удовлетворительный спектр.

Обычно хорошие результаты получают при концентрациях от 10 до 100 г/л при толщине слоя от 0,5 до 0,1 мм.

Поглощение растворителя компенсируют путем помещения в канал сравнения аналогичной кюветы, содержащей выбранный растворитель.

Кюветы. Если кюветы, заполненные растворителем, обладают разным поглощением при выбранной длине волны, то вносят поправку на измеренное поглощение испытуемого раствора. При использовании спектрофотометров с Фурье-преобразованием коррекция кювет не требуется, поскольку одна и та же кювета может быть использована и для растворителя и для испытуемого раствора. Область прозрачности кюветы в ИК-области зависит от использованного материала.

Растворители. Не существует растворителей, которые при значительной толщине слоя были бы полностью прозрачными для ИК-спектров. Четыреххлористый углерод (при толщине слоя до 5 мм) практически прозрачен до 6 мкм (1666 см -1). Углерода дисульфид (толщиной 1 мм) подходит как растворитель до 40 мкм (250 см -1) за исключением областей от 4,2 до 5,0 мкм (от 2381 до 2000 см -1) и от 5,5 до 7,5 мкм (от 1819 до 1333 см -1), где он имеет сильное поглощение. Другие растворители прозрачны в относительно узкой области. Растворители, применяемые в спектрометрии в инфракрасной области, должны быть инертны к материалу, из которого сделана кювета.

Твердые вещества. Твердые вещества исследуют в твердом состоянии (диски из галогенидов щелочных металлов), диспергированными в подходящей жидкости в виде суспензии или формируют пленку из расплавленной массы между двумя пластинами, прозрачными для инфракрасного излучения. Подготовку образца описывают в фармакопейной статье.

Диски. 1 - 3 мг вещества, предназначенного для испытания, растирают с 150 - 200 мг (если не указано иначе в фармакопейной статье) тщательно измельченного и высушенного калия бромида или калия хлорида (обычно используют калия бромид). Типичные условия высушивания калия бромида: при 105 °С в вакууме, в течение 12 ч. Обычно такого количества достаточно для приготовления диска диаметром 13 мм и получения спектра подходящей интенсивности. Смесь тщательно перетирают, добиваясь необходимой однородности, и прессуют диск при давлении около 800 МПа (8 т/см 2) в вакууме (2 - 3 мм рт. ст.) в течение 2 - 5 мин.

Причиной образования некачественных дисков могут быть такие факторы, как недостаточное или чрезмерное растирание, влага или иные примеси в дисперсионной среде. Диск не пригоден для испытания, если в области прохождения луча на диске имеются трещины, или при визуальном осмотре он неоднороден по прозрачности, или его пропускание при 2000 см -1 (5 мкм) составляет менее 60 % без компенсации при отсутствии специфической полосы поглощения.

Суспензии. Небольшое количество вещества, предназначенного для испытания, растирают с минимальным количеством вазелинового масла или другой подходящей жидкости (смешивают 5 - 20 мг твердого вещества с 1 - 2 каплями иммерсионной жидкости). Полученную суспензию сжимают между двумя пластинками (NaCl или KBr), прозрачными для инфракрасного излучения.

Газы. Газы исследуют в кювете, прозрачной для инфракрасного излучения, с длиной оптического пути около 100 мм. Откачивают воздух из кюветы и заполняют анализируемым газом через кран или при помощи игольчатого клапана.

Если необходимо, доводят давление в кювете до атмосферного, используя газ, прозрачный для инфракрасного излучения (например, азот или аргон). Для исключения помех, связанных с поглощением воды, углерода диоксида или других атмосферных газов, в канал сравнения помещают идентичную кювету, которая либо вакуумирована, либо заполнена газом, прозрачным для инфракрасного излучения.

Для записи спектра по методу нарушенного полного внутреннего отражения подготовку образца проводят одним из способов.

Растворы. Вещество растворяют в соответствующем растворителе, соблюдая условия, приведенные в фармакопейной статье. Раствор испаряют на поверхности внутреннего элемента отражения, который обычно изготавливают из кристалла бромида йодида таллия (KRS-5), германия или другого минерала с большим показателем преломления.

Твердые вещества. Вещество помещают на поверхность внутреннего элемента отражения таким образом, чтобы достичь как можно более плотного и полного контакта со всей поверхностью кристалла (обычно подготовку таких образцов проводят под давлением).

Подготовка образцов для спектрометрии в инфракрасной области диффузного отражения: испытуемое вещество растирают с тщательно измельченным и высушенным калия бромидом или калия хлоридом. Если не указано иначе в фармакопейной статье, содержание испытуемого вещества в полученной смеси должно составлять около 5 %. Смесь тщательно перетирают и регистрируют спектр.

Примеси в газах. Для анализа примесей в газах используют кювету, прозрачную для инфракрасного излучения и имеющую соответствующую длину оптического пути. Кювету заполняют так, как указано в разделе «Газы». Для обнаружения и количественной оценки примесей используют методики, указанные в фармакопейных статьях.

6.И дентификация

6.1 Идентификация с использованием стандартных образцов

Образец испытуемого вещества и стандартный образец готовят по одной и той же методике и записывают спектры, если не указано иначе в фармакопейной статье, в области от 4000 до 650 см -1 , в некоторых случаях до 200 см -1 , в одних и тех же условиях. Полосы поглощения в спектре испытуемого образца должны соответствовать по положению полосам поглощения в спектре стандартного образца.

ИК- спектры стандартного образца (А) и исследуемого вещества (Б).

Если спектры, полученные в твердом состоянии, показывают различия в положении полос поглощения, то испытуемую субстанцию и стандартный образец обрабатывают одним и тем же способом так, чтобы они кристаллизовались или получались в одной и той же форме, или обрабатывают способом, указанным в фармакопейной статье, а затем снимают спектры.

6 . 2 Идентификация с использованием эталонных спектров

Контроль разрешающей способности. Записывают спектр пленки полистирола толщиной 0,04 мм. Разность х (рисунок) между процентом пропускания при максимуме пропускания А при 2870 см -1 (3,48 мкм) и минимуме пропускания В при 2849,5 см -1 (3,51 мкм) должна быть больше 18. Разность y между процентом пропускания при максимуме пропускания С при 1589 см -1 (6,29 мкм) и минимуме пропускания D при 1583 см -1 (6,32 мкм) должна быть больше 10.

Контроль разрешающей способности ИК-спектрометров с Фурье-преобразованием проводят в соответствии с рекомендациями производителя прибора.

Проверка шкалы волновых чисел. Шкала волновых чисел может быть проверена с помощью пленки полистирола, которая имеет минимум пропускания (максимум поглощения) при волновых числах (в см -1), приведенных в таблице.

Методика. Субстанцию готовят к испытанию в соответствии с инструкцией, прилагаемой к эталонному спектру. Используя условия, при которых проводилась проверка разрешающей способности, записывают спектр испытуемого образца и на него накладывают полосы полистирола при 2849,5 см -1 (3,51 мкм), 1601,2 см -1 (6,25 мкм) и 1028,3 см -1 (9,72 мкм). Сравнивают два спектра (эталонный и спектр испытуемой субстанции) и полосы полистирола, указанные выше. При использовании положения полос полистирола в качестве стандартных величин, положения значимых полос в спектре испытуемой субстанции и в эталонном спектре должны соответствовать друг другу в пределах 0,5 % от шкалы волновых чисел. Относительная величина полос обоих спектров должна согласовываться между собой.

Рисунок - Типичный спектр полистирола, используемый для проверки разрешающей способности

Таблица 1 - Минимумы пропускания и допустимые пределы для пленки полистирола

Минимумы пропускания, см -1	Допустимые пределы, см -1
	ИК-спектрометр с монохроматором	ИК-спектрометр с Фурье-преобразованием

Заключение

Инфракрасная спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток, как метод изучения строения молекул получила наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос.

ИК- спектроскопия с каждым годом получает всё более широкое распространение как весьма ценный физический метод исследования строения молекул и мощный аналитический метод.

Внедрение спектроскопии в сферу фармацевтического анализа ЛС послужило мощным толчком для её развития и совершенствования. Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности результатов и чувствительности обнаружения, существенном сокращении времени проведения анализа.

Список литературы

Лекционный материал.

Т. Х. Вергейчик, Токсикологическая химия.

В. Г. Беликов, Фармацевтическая химия.

Государственная фармакопея РФ XIII издание.

Государственная фармакопея РФ XI издание.

А.В. Васильев, Е.В. Гриненко «Инфракрасные спектры органических и природных соединений», Санкт-Петербург, 2007г.,30с.

Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул, пер. с англ., М., 1957;

Кросс А., Введение в практическую инфракрасную спектроскопию, пер. с англ., М., 1961;

Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979, 240 с.;

Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М. 1973.

Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

Ярославский Н. Г., Методика и аппаратура длинноволновой инфракрасной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1957, т. 2.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Изучение теоретических основ методов осаждения органических и неорганических лекарственных веществ. Анализ особенностей взаимодействия лекарственных веществ с индикаторами в методах осаждения. Индикационные способы определения конечной точки титрования.

курсовая работа , добавлен 30.01.2014


Импульсное электромагнитное излучение, возникающее при нагружении композитов. Исследование методом инфракрасной спектроскопии процессов полимеризации и сополимеризации в полимерных составах для органических стекол. Зависимость содержания гель-фракции.

краткое изложение , добавлен 05.04.2009


Сущность и природа водородной связи. Водородные связи и свойства органических соединений. Метод инфракрасной спектроскопии. Инфракрасное излучение и колебания молекул. Анализ спектральных характеристик растворов пространственно-затрудненных фенолов.

курсовая работа , добавлен 28.04.2010


Рассмотрение реакций, основанных на образовании комплексных соединений металлов и без их участия. Понятие о функционально-аналитической и аналитико-активной группах. Использование органических соединений как индикаторов титриметрических методов.

курсовая работа , добавлен 01.04.2010


Магнитопласты как новый класс видов полимерных композиционных материалов. Синтез поликапроамида из капролактама. Определение низкомолекулярных соединений, вязкости, молекулярной массы. Метод инфракрасной спектроскопии и термогравимитрического анализа.

отчет по практике , добавлен 26.07.2009


Сравнительная характеристика органических и неорганических химических соединений: классификация, строение молекулярной кристаллической решетки; наличие и тип химической связи между атомами; относительная молекулярная масса, распространение на планете.

презентация , добавлен 11.05.2014


Получение и изучение свойств растворов ПАН/ДМФА и ПАН/ДМФА/AgNO3 методом УФ спектроскопии. Контроль структурного градиента у нановолокна Ag/ПАН с помощью обработки растворителем. Метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Метод ИК спектроскопии.

дипломная работа , добавлен 04.06.2017


Понятие рефракции как меры электронной поляризуемости атомов, молекул, ионов. Оценка показателя преломления для идентификации органических соединений, минералов и лекарственных веществ, их химических параметров, количественного и структурного анализа.

курсовая работа , добавлен 05.06.2011


Основные операции при работе в лаборатории органической химии. Важнейшие физические константы. Методы установления строения органических соединений. Основы строения, свойства и идентификация органических соединений. Синтезы органических соединений.

методичка , добавлен 24.06.2015


Структура атомных и молекулярных спектров. Особенности и преимущества спектроскопии с преобразованием Фурье. Протонный магнитный резонанс. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ядер 13С. Идентификация органического соединения, расшифровка спектров.

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (ИКС) - раздел спектроскопии, охватывающий длинноволновую область спектра (>730 нм за красной границей видимого света). Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно - в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. ИК излучение поглощают многие газы, за исключением таких как О2, N2, H2, Cl2 и одноатомных газов. Поглощение происходит на длине волны, характерной для каждого определенного газа, для СО, например, таковой является длина волны 4,7 мкм.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно короткими молекулами: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров, комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно длинными молекулами (белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и др.) находятся в терагерцовом диапазоне, поэтому строение этих молекул можно установить с помощью радиочастотных спектрометров терагерцового диапазона. По числу и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения - о количестве вещества (количественный анализ). Основные приборы - различного типа инфракрасные спектрометры. С помощью ИК спектроскопии быстро и надёжно идентифицируются разнообразные функциональные группы: карбонильная, гидроксильная, карбоксильная, амидная, амино, циано и др.; а также различные непредельные фрагменты: двойные и тройные углерод-углеродные связи, ароматические или гетероароматические системы. Методами ИК-спектроскопии изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. В химии древесины и химии природных соединений с помощью ИК-спектроскопии исследуют структуры углеводов, лигнинов, аминокислот, терпенов, стероидов и многих других веществ. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (ИК спектроскопия), раздел мол. оптич. спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагн. излучения в ИК области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м. В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны (или волновое число) ИК спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебат. уровнями осн. электронного состояния изучаемой системы (см. Колебательные спектры). Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геом. строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому ИК спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений. Для регистрации спектров используют классич. спектрофотометры и фурье-спектрометры. Осн. части классич. спектрофотометра - источник непрерывного теплового излучения, монохроматор, неселективный приемник излучения. Кювета с в-вом (в любом агрегатном состоянии) помещается перед входной (иногда за выходной) щелью. В качестве диспергирующего устройства монохроматора применяют призмы из разл. материалов (LiF, NaCl, KCl, CsF и др.) и дифракц. решетки. Последовательное выведение излучения разл. длин волн на выходную щель и приемник излучения (сканирование) осуществляется поворотом призмы или решетки. Источники излучения - накаливаемые электрич. током стержни из разл. материалов. Приемники: чувствительные термопары, металлич. и полупроводниковые термосопротивления (болометры) и газовые термопреобразователи, нагрев стенки сосуда к-рых приводит к нагреву газа и изменению его давления, к-рое фиксируется. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой. Достоинства приборов классич. схемы: простота конструкции, относит. дешевизна. Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что сильно затрудняет работу в далекой ИК области; сравнительно невысокая разрешающая способность (до 0,1 см-1), длительная (в течение минут) регистрация спектров. В фурье-спектрометрах отсутствуют входная и выходная щели, а осн. элемент - интерферометр. Поток излучения от источника делится на два луча, к-рые проходят через образец и интерферируют. Разность хода лучей варьируется подвижным зеркалом, отражающим один из пучков. Первоначальный сигнал зависит от энергии источника излучения и от поглощения образца и имеет вид суммы большого числа гармонич. составляющих. Для получения спектра в обычной форме производится соответствующее фурье-преобразование с помощью встроенной ЭВМ. Достоинства фурье-спектрометра: высокое отношение сигнал: шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая (за секунды и доли секунд) регистрация спектра, высокая разрешающая способность (до 0,001 см-1). Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость. Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, к-рые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра р-рителя), изменение масштаба записи, вычисление эксперим. спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и др. Кюветы для ИК спектрофотометров изготовляют из прозрачных в ИК области материалов. В качестве р-рителей используют обычно ССl4, СНСl3, тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Твердые образцы часто измельчают, смешивают с порошком КВr и прессуют таблетки. Для работы с агрессивными жидкостями и газами применяют спец. защитные напыления (Ge, Si) на окна кювет. Мешающее влияние воздуха устраняют вакуумированием прибора или продувкой его азотом. В случае слабо поглощающих в-в (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в к-рых длина оптич. пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал. Большое распространение получил метод матричной изоляции, при к-ром исследуемый газ смешивают с аргоном, а затем смесь замораживают. В результате полуширина полос поглощения резко уменьшается и спектр получается более контрастным. Применение спец. микроскопич. техники позволяет работать с объектами очень малых размеров (доли мм). Для регистрации спектров пов-сти твердых тел применяют метод нарушенного полного внутр. отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем в-ва энергии электромагн. излучения, выходящего из призмы полного внутр. отражения, к-рая находится в оптич. контакте с изучаемой пов-стью. Инфракрасную спектроскопию широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых в-в. Количеств. анализ основан на законе Бугера-Ламберта-Бера (см. Абсорбционная спектроскопия), т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации в-ва в пробе. При этом о кол-ве в-ва судят не по отд. полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значит. перекрывании последних. Погрешность количеств. анализа, как правило, составляет доли процента. Идентификация чистых в-в производится обычно с помощью информационно-поисковых систем путем автоматич. сравнения анализируемого спектра со спектрами, хранящимися в памяти ЭВМ. Характерные области поглощения ИК излучения наиб. часто встречающихся функц. групп хим. соед. приведены в табл. на форзаце в конце тома. Для идентификации новых в-в (молекулы к-рых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусств. интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются мол. структуры, затем строятся их теоретич. спектры, к-рые сравниваются с эксперим. данными. Исследование строения молекул и др. объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах мол. моделей и математически сводится к решению т. наз. обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью спец. теории спектральных кривых к экспериментальным. Параметрами мол. моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной пов-сти (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др. Инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимод., характер хим. связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику хим. р-ций, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геом. параметры, получать данные для вычисления термодинамич. ф-ций и др. Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебат. энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в т.ч. полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики мол. моделей (силовые постоянные, электрооптич. параметры и др.), к-рые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантовохим. расчетами. И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодич. системы. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наиб. распространение в орг. и элементоорг. химии. В отд. случаях для газов в ИК области удается наблюдать вращат. структуру колебат. полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геом. параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.