Інформація, що отримується з ік спектрів відображення. Спектроскопія в інфрачервоній галузі

ІЧ-спсктроскопия базується на вивченні спектрів поглинання в інфрачервоній області спектра. На відміну від ультрафіолетового та видимого випромінювань поглинання ІЧ-випромінювання призводить до зміни коливального та обертального рухів окремих частин молекули щодо один одного.

Загальні засади ІЧ-спектроскопії

У нормальному стані у будь-якій молекулі ядра атомів здійснюють малі коливання біля положення рівноваги. Поглинання інфрачервоного випромінювання призводить до посилення цих коливань, причому речовиною поглинається тільки інфрачервоне випромінювання, частота якого збігається з частотою коливань атомів.

У багатоатомній молекулі все ядра роблять складні коливальні рухи, які можна як суперпозиції про нормальних коливань, тобто. таких, коли всі ядра атомів молекули коливаються з однаковою частотою і фазою, та її центр мас залишається нерухомим. Число нормальних коливань відповідає числу коливальних ступенів свободи в молекулі. Наприклад, у N-атомної нелінійної молекули є (3 N- 6) коливальних ступенів свободи. Енергія кожного нормального коливання квантована, а повна коливальна енергія багатоатомної молекули дорівнює сумі енергій її нормальних коливань.

Нормальні коливання прийнято поділяти на валентні(v), обумовлені рухом атомів уздовж осей зв'язків, та деформаційні(5, л, г, Т), при яких змінюються валентні кути, а довжини зв'язків практично не змінюються. Частоти валентних коливань більш ніж значно перевищують частоти деформаційних коливань. У відомих в даний час молекул частоти нормальних коливань відповідають інфрачервоній області спектру - Xвід 2,5 до 100 мкм (від 4000 до 100 см).

При нормальних коливаннях усі ядра атомів коливаються з однаковими частотою та фазою, але різною амплітудою. Іноді амплітуда коливань атомів, що утворюють певний зв'язок, може значно перевершувати амплітуду коливань інших атомів. Тоді частоту даних коливань умовно приписують (відносять) до коливань цього зв'язку. Якщо ця частота мало змінюється під час переходу від однієї молекули до іншої, її називають характеристичної.Наявність в ІЧ-спектрі речовини смуг поглинання, що відповідають характеристичним частотам, однозначно вказує на присутність у молекулах відповідних їм хімічних зв'язків. Ця обставина широко використовується для проведення структурно-групового аналізу речовин щодо їх інфрачервоних спектрів поглинання. Характеристичні частоти щодо різних типів хімічних зв'язків можна знайти у відповідних таблицях.

Смуги поглинання, які спостерігаються в ІЧ-спектрах, часто мають складну структуру. Її поява у речовин у газоподібному стані обумовлена тим, що газоподібні молекули можуть вільно обертатися. Кожен коливальний перехід у молекулі супроводжується великою кількістю обертальних переходів. Тому в спектрах поряд з коливальними смугами по обидва боки від них присутні і смуги, що відповідають коливально-обертальним переходам. У міру ускладнення молекул окремі вузькі смуги накладаються одна на одну і спостерігаються широкі, слабо структуровані коливально-обертальні смуги.

У кристалічних речовин коливальна структура не спостерігається, але внаслідок взаємодій молекул у кристалі в ряді випадків може спостерігатися розщеплення однієї смуги на кілька смуг (мультиплетів). Сильне розширення смуг у спектрах твердих та рідких речовин, а також їх концентрованих розчинів може бути пов'язане з наявністю міжмолекулярних водневих зв'язків.

Для реєстрації ІЧ-спектрів газоподібних зразків використовують спеціальні газові кювети, що являють собою циліндр довжиною близько 10 см з прозорими в ІЧ-області спектру герметичними вікнами з КВг або CaF 2 на торцях і вакуумними кранами для наповнення досліджуваним газом та його відкачування. Існують багатоходові газові кювети, у яких за допомогою дзеркал забезпечується багаторазове проходження променя через досліджуваний газ. У таких кюветах довжина шляху променя може становити до 10 м-коду.

Рідини та рідкі розчини досліджують у вигляді тонких плівок заданої товщини, укладених між двома плоскопаралельними пластинками, виготовленими з галогенідів лужних або лужноземельних металів (LiF, КВг, CaF.;). Товщина шару рідини визначається тефлоновою прокладкою, поміщеною між пластинками. Як розчинники застосовують вільні від вологи рідини, прозорі в тих областях спектру, де очікується поява спектральних смуг розчиненої речовини. Для цих цілей найчастіше використовуються бензол, хлороформ, тетрахлорид вуглецю, тетрахлоретилен, ацетонітрил, діоксан.

Тверді зразки аналізуються або у вигляді дрібнодисперсної суспензії у вазеліновій олії або інших аналогічних рідинах, або у вигляді таблеток з броміду калію, які на стадії виготовлення вводиться дрібнодисперсний порошок аналізованої речовини. Для дослідження тонких плівок їх попередньо наносять на поверхню пластини високоомного (питомий опір не менше 10-15 Ом-см) кремнію.

ІЧ-спектри мають високу специфічність і тому широко використовуються для ідентифікації речовин. Немає двох речовин, які мали однакові ІЧ-спектри. В даний час є атласи, в яких наведено спектри різних органічних, елементоорганічних та неорганічних сполук, умови підготовки зразків та реєстрації спектрів, а також моделі спектрометрів, на яких проводилася реєстрація спектрів.

Ідентифікація невідомої речовини з його ІЧ-спектру полягає у зіставленні його спектра з еталонним, наведеним в атласі. Враховуючи, що спектри однієї й тієї ж речовини, отримані в різних умовах, можуть різнитися між собою, найважливішою умовою коректного порівняння спектрів є ідентичність умов їх реєстрації.

Збіг спектрів двох речовин свідчить про їхню ідентичність. Відсутність у діапазоні досліджуваного зразка смуг, присутніх у діапазоні зразка, однозначно вказує на відмінність цих речовин. Присутність у спектрі досліджуваного зразка більшої кількості смуг порівняно із спектром еталона може свідчити як про відмінність обох речовин, так і про забруднення зразка домішками.

За допомогою ІЧ-сиектроскоії можна проводити якісний аналіз суміші речовин невідомого або частково відомого складу, причому перший проводять після поділу суміші загальновідомими методами.

Використовуючи основний закон світлопоглинання, можна проводити кількісний аналіз зразків, так і визначати товщину напівпровідникових і діелектричних плівок. Аналіз сумішей речовин методом ІЧ-снектроскопії базується на основному законі світлопоглинання та законі адитивності оптичних щільностей. Оскільки величини молярних коефіцієнтів ІК області спектру порівняно невеликі (а ~ 1-Н0-10 3), межа виявлення речовин методом ІЧ-спектроскопії досить високий (0,1-10 мас.%) при відносно низькій точності визначення (5-20 %).

ФЕДЕРАЛЬНА АГЕНЦІЯ З ОСВІТИ ОРЛІВСЬКА ДЕРЖАВНА ТЕХНІЧНА

УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ХАРЧОВОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ ТА ТОВАРОЗНАВСТВА

Реферат

Інфрачервона спектроскопія

Виконав:студент групи 11ТЕ,

факультету харчової біотехнології та товарознавства

Лежепеков І. С.

Науковий керівник:

Клімова Н.В.

Орел, 2009р

Введение…………………………………………………….3

Принцип методу…………………………………………3

Теоретичні основи методу………………….............4

Прилади, апаратура……………………………………6

Застосування……………………………………………...10

Заключение…………………………………………………12

Список використаної литературы………………………13

додаток

Вступ.

Сучасне виробництво харчових продуктів гарантованої якості вимагає використання добре відтворюваних та точних експрес-методів контролю показників складу та властивостей. Досягнення стабільної високої якості продукції нерозривно пов'язане з організацією своєчасного контролю якості сировини і напівфабрикатів на всіх етапах технологічного процесу. У зв'язку з цим оснащення виробничих лабораторій приладами експрес-контролю дозволяє своєчасно реагувати на будь-яке відхилення технологічних параметрів, основною перевагою приладового контролю є оперативність. До таких методів оперативного аналізу слід, безумовно, віднести поширений у багатьох країнах світу метод спектроскопії.

Метод ІЧ-спектроскопії відіграє найважливішу роль в ідентифікації хімічних та органічних речовин завдяки тому, що кожна хімічна сполука має неповторний ІЧ-спектр.

1.Принцип методу

Інфрачервона спектроскопія (ІЧ спектроскопія), розділ молекулярної оптичної спектроскопії, що вивчає спектри поглинання та відображення електромагнітного випромінювання в ІЧ області, тобто. в діапазоні довжин хвиль від 10 -6 до 10 -3 м. ІЧ спектр є складною кривою з великим числом максимумів і мінімумів. Основні характеристики спектра ІЧ-поглинання: кількість смуг поглинання в спектрі, їх положення, що визначається частотою (або довжиною хвилі), ширина і форма смуг, величина поглинання - визначаються природою (структурою та хімічним складом) поглинаючої речовини, а також залежать від агрегатного стану речовини , температури, тиску та ін. Спектральні характеристики (положення максимумів смуг, їх напівширина, інтенсивність) індивідуальної молекули залежать від мас її атомів, геом. будови, особливостей міжатомних сил, розподілу заряду та ін. Тому ІЧ спектри відрізняються великою індивідуальністю, що визначає їх цінність при ідентифікації та вивченні будови сполук. Інфрачервона спектроскопіядає дуже важливу інформацію про частоти коливань ядер, що залежать від будови молекул та від міцності валентних зв'язків. Частоти коливань певної пари хімічно пов'язаних атомів (валентних коливань) зазвичай лежать у певних межах. Так, наприклад, частоти коливань СН мають різні діапазони, що залежать від інших зв'язків атомів вуглецю, що часто дозволяє визначати наявність відповідних груп в органічному з'єднанні.

2. Теоретичні основи методу

Атоми в молекулі зазнають безперервних коливань, а сама молекула обертається як ціле, тому в неї виникають нові енергетичні рівні, відсутні в ізольованих атомах Молекула може перебувати в кількох енергетичних станах з більшою (E 2) або меншою (E 1) коливальною енергією. Ці енергетичні стани називають квантованими. Поглинання кванта світла з енергією Е, що дорівнює E 2 – E 1 , переводить молекулу з нижчого енергетичного стану на вищий. Це називають збудженням молекули.

В результаті атоми, пов'язані один з одним у молекулі, починають інтенсивніше коливатися щодо деяких вихідних положень. Якщо розглядати молекулу як систему з атомів-кульок, зчеплених між собою пружинками, то пружинки стискуються і розтягуються, також згинаються.

Хоча ІЧ-спектр є характеристикою всієї молекули, виявляється, що деякі групи атомів мають смуги поглинання за певної частоти незалежно від структури решти молекули. Ці смуги, які називають характерними, несуть інформацію про структурні елементи молекули.

Є таблиці характеристичних частот, якими багато смуги ІЧ-спектр може бути пов'язані з певними функціональними групами, що входять до складу молекули (Додаток). Характеристичними будуть коливання груп, що містять легкий атом водню (С–Н, О–Н, N–Н), коливання груп із кратними зв'язками (С=С, С=N, С=O) тощо. в діапазоні спектра від 4000 до 1600 см -1.

Область спектра від 1300 до 625 см-1 відома як область «відбитків пальців». Сюди потрапляють смуги поглинання, що відповідають коливанням груп С–С, С–О, С–N, а також деформаційні коливання. Внаслідок сильної взаємодії цих коливань віднесення смуг поглинання до окремих зв'язків неможливе. Однак весь набір смуг поглинання у цій галузі є індивідуальною характеристикою з'єднання. Збіг всіх смуг невідомої (досліджуваної) речовини зі спектром свідомо відомого зразка є чудовим доказом їхньої ідентичності. Параметрами молекулярних моделей служать маси складових систему атомів, довжини зв'язків, валентні та торсіонні кути, характеристики потенційної поверхні (силові постійні та ін), дипольні моменти зв'язків та їх похідні за довжинами зв'язків та ін.

Інфрачервона спектроскопія дозволяє ідентифікувати просторові та конформаційні ізомери, вивчати внутрішньо- та міжмолекулярні взаємодії, характер хімічних зв'язків, розподіл зарядів у молекулах, фазові перетворення, кінетику хімічних реакцій, реєструвати короткоживучі (час життя до 10 -6 с) отримувати дані обчислення термодинамічних функцій та інших.

p align="justify"> Необхідний етап таких досліджень - інтерпретація спектрів, тобто. встановлення форми нормальних коливань, розподілу коливальної енергії за ступенями свободи, виділення значних параметрів, що визначають положення смуг у спектрах та їх інтенсивності. Розрахунки спектрів молекул, що містять до 100 атомів, зокрема полімерів, виконуються за допомогою ЕОМ. При цьому необхідно знати характеристики молекулярних моделей (силові постійні, електрооптичні параметри та ін), які знаходять рішення відповідних зворотних спектральних завдань або квантово-хімічними розрахунками. І в тому, і в іншому випадку зазвичай вдається отримувати дані для молекул, що містять атоми лише перших чотирьох періодів періодичної системи.

3. Прилади, апаратура

Основні частини класичного спектрофотометра – джерело безперервного теплового випромінювання, монохроматор, неселективний приймач випромінювання. Кювета з речовиною (у будь-якому агрегатному стані) міститься перед вхідною (іноді за вихідною) щілиною. Як диспергуючий пристрій монохроматора застосовують призми з різних матеріалів (LiF, NaCl, KCl, CsF та ін) і дифракції решітки. Послідовне виведення випромінювання різних довжин хвиль на вихідну щілину та приймач випромінювання (сканування) здійснюється поворотом призми або решітки.

Робота приладу за двома променевою схемою ґрунтується на нульовому методі. Радіація від джерела випромінювання 1 направляється за допомогою дзеркал 2 - 5 по двох каналах: в одному каналі (I) міститься досліджуваний зразок (6), в іншому (II) - фотометричний клин (7) та зразок порівняння (8).

За допомогою переривника (9) пучки світла з каналів I і II поперемінно проходять через систему монохроматора, що утворюється призмою 10 із солей LiF, NaCl або KBr, розкладаються в спектр і надходять на приймач радіації болометр. Коли інтенсивність пучків в обох каналах однакова, на болометр надходить стала теплова радіація і сигнал на вході підсилювача не виникає. За наявності поглинання на болометр падають промені різної інтенсивності і на ньому виникає змінний сигнал. Цей сигнал після посилення зміщує фотометричний клин, зводячи до нуля різницю поглинання зразка та фотометричного клина. Фотометричний клин механічно пов'язаний із пером, перо реєструє величину поглинання.

Оптична схема.

Джерела випромінювання - стрижні, що розжарюються електричним струмом, з різних матеріалів. Приймачі: чутливі термопари, металеві та напівпровідникові термоопори (болометри) та газові термоперетворювачі, нагрівання стінки судини яких призводить до нагрівання газу та зміни його тиску, що фіксується. Вихідний сигнал має вигляд звичайної спектральної кривої. Переваги приладів класичної схеми: простота конструкції, відносна дешевизна.

Недоліки: неможливість реєстрації слабких сигналів через малого відношення сигнал: шум, що ускладнює роботу в далекій ІЧ-області; порівняно невисока роздільна здатність тривала (протягом хвилин) реєстрація спектрів.

Фур'є-спектрометр

У фур'є-спектрометрах відсутні вхідна та вихідна щілини, а основний елемент – інтерферометр. Потік випромінювання від джерела ділиться на два промені, які проходять через зразок та інтерферують. Різниця ходу променів варіюється рухомим дзеркалом, що відбиває один з пучків.

Початковий сигнал залежить від енергії джерела випромінювання та від поглинання зразка і має вигляд суми великої кількості гармонійних складових. Для отримання спектра у звичайній формі виробляється відповідне фур'є-перетворення за допомогою вбудованої ЕОМ. Переваги фур'є-спектрометра: високе відношення сигнал: шум, можливість роботи в широкому діапазоні довжин хвиль без зміни диспергуючого елемента, швидка (за секунди та частки секунд) реєстрація спектра, висока роздільна здатність (до 0,001 см 1). Недоліки: складність виготовлення та висока вартість.

Всі спектрофотометри забезпечуються ЕОМ, які виробляють первинну обробку спектрів: накопичення сигналів, відокремлення їх від шумів, віднімання фону та спектра порівняння (спектру розчинника), зміна масштабу запису, обчислення експериментальних спектральних параметрів, порівняння спектрів із заданими, диференціювання спектрів та ін. ІЧ спектрофотометрів виготовляють із прозорих в ІЧ-області матеріалів. Як розчинники використовують зазвичай ССl 4 , СНСl 3 , тетрахлоретилен, вазелінове масло. Тверді зразки часто подрібнюють, змішують із порошком КВr та пресують таблетки. Для роботи з агресивними рідинами та газами застосовують спеціальні захисні напилення (Ge, Si) на вікна кювет. Вплив повітря, що заважає, усувають вакуумуванням приладу або продуванням його азотом. У разі слабко поглинаючих речовин (розріджені гази та ін) застосовують багатоходові кювети, в яких довжина оптичного шляху досягає сотень метрів завдяки багаторазовим відображенням від системи паралельних дзеркал.

Велике поширення набув метод матричної ізоляції, при якому досліджуваний газ змішують з аргоном, а потім заморожують суміш. В результаті напівширина смуг поглинання різко зменшується, і спектр виходить контрастнішим.

Застосування спеціальної мікроскопічної техніки дозволяє працювати з об'єктами дуже малих розмірів (частки мм). Для реєстрації спектрів поверхні твердих тіл застосовують метод повного повного внутрішнього відображення. Він заснований на поглинанні поверхневим шаром речовини енергії електромагнітного випромінювання, що виходить із призми повного внутрішнього відображення, яка знаходиться в оптичному контакті з поверхнею, що вивчається.

4. Застосування

Інфрачервона спектроскопія широко застосовують для аналізу сумішей та ідентифікації чистих речовин. Кількісний аналіз ґрунтується на залежності інтенсивності смуг поглинання від концентрації речовини в пробі. При цьому про кількість речовини судять не за окремими смугами поглинання, а за спектральними кривими в цілому в широкому діапазоні довжин хвиль. Якщо кількість компонентів невелика (4-5), то вдається математично виділити їх спектри навіть за значного перекривання останніх.

Для ідентифікації нових речовин (молекули яких можуть містити до 100 атомів) використовують системи штучного інтелекту. У цих системах на основі спектроструктурних кореляцій генеруються молекули структури, потім будуються теоретичні спектри, які порівнюються з експериментальними даними. Дослідження будови молекул та інших об'єктів методами інфрачервоної спектроскопії передбачає отримання відомостей про параметри молекулярних моделей та математично зводиться до вирішення точки призначення зворотних спектральних завдань. Розв'язання таких завдань здійснюється послідовним наближенням параметрів, розрахованих за допомогою спеціальної теорії спектральних кривих до експериментальних.

ІЧ-спектри вимірюють для газоподібних, рідких та твердих сполук, а також їх розчинів у різних розчинниках. Деякі галузі застосування ІЧ спектроскопії

Хімія та нафтохімія.
Якісний та кількісний аналіз сировини, проміжних та кінцевих продуктів синтезу. Фракційний та структурно-груповий склад нафтопродуктів. Аналіз палив: ефіри, спирти, ароматики, октанове число. Фур'є-спектрометри можуть бути використані для експрес-аналізу нафт, газоконденсатів, природного газу та продуктів їх переробки.

Хімія полімерів.
Аналіз кополімерів. Синтетичні каучуки: склад, структурні властивості. Аналіз добавок, що модифікують: пластифікатори, антиоксиданти.

Фармацевтична промисловість.
Визначення справжності субстанцій за ІЧ-стандартами, контроль якості лікарських форм та сировини.

Газовий аналіз. Аналіз багатокомпонентних газових сумішей
Контролює якість продукції газової промисловості, аналіз складу та вологості природного газу.

Електронна промисловість.
Контролює якість напівпровідникового кремнію та параметрів тонких шарів. Аналіз складу технологічних газів.

Харчова та парфумерна промисловість.
Експресний контроль сировини та готової продукції: вміст білків, клітковини, жиру, вологи.

Екологічний контроль.
Контролює нафтопродукти у воді та грунті. Контролює атмосферне повітря, повітря робочої зони та викиди промислових підприємств.

Криміналістичний, судово-медичний та біоклінічний аналіз.
Якісний та кількісний аналіз природних речовин та продуктів синтезу. Ідентифікація наркотиків, ОВ та ВР. Аналіз слідових залишків речовин.

Висновок

Метод інфрачервоної спектроскопії дає змогу з високою ймовірністю передбачати якісний кількісний склад хімічних сполук. Сучасні прилади дозволяють здійснювати процедуру вимірювання цих показників з достатньою точністю та високою відтворюваністю результатів вимірювань.

Основними перевагами даного методу є

1.значное скорочення часу для проведення аналізу;

2. суттєва економія енергоресурсів;

3.прилади не вимагають застосування дорогих витратних матеріалів та хімічних реактивів;

4. набагато менш жорсткі вимоги щодо спеціальної підготовки пред'являються до обслуговуючого персоналу, що виробляє рутинні виміри (порівняно з їхніми колегами, які здійснюють традиційні лабораторні методи аналізу).

Список використаної литературы.

1. Беламі Л., Інфрачервоні спектри молекул, пров. з англ., М., 1957;

2. Крос А., Введення в практичну інфрачервону спектроскопію, пров. з англ., М., 1961;

3. Казіцин Л.А., Куплетська Н.Б. Застосування УФ, ІЧ, ЯМР та мас-спектроскопії в органічній хімії. М: Вид-во Моск. ун-ту, 1979, 240 с.;

4. Сільверстейн Р., Басслер Р., Морріл Т. Спектрометрична ідентифікація органічних сполук. М: Світ, 1977, 590 с. спектроскопії у хімії, пров. з англ., М., 1959;

5. Чулановський Ст М., Введення в молекулярний спектральний аналіз, 2 видавництва, М.-Л., 1951.

додаток

Таблиця"Частоти характеристичних коливань за участю одинарних зв'язків"

		Віднесення та примітки
		С-З зв'язків. Зазвичай спостерігається кілька смуг. Для цілей ідентифікації не застосовується
		ν as (C–O–C) в ациклічних ефірах
		ν as (C–O–C) в алкіларилових та алкілвінілових ефірах
		ν(C–О) відповідно у первинних, вторинних та третинних спиртах, вказівки орієнтовні


		ν(C–О) у фенолах
		ν(C–N) в ароматичних амінах та амідах
		ν(C–N) в аліфатичних амінах та амідах
		ν(C–N) у нітросполуках
		У монофторзаміщених
		У ди- та поліфторзаміщених. Що ступінь заміщення, то вище частота
		У монохлорзаміщених. У поліхлорзаміщених вище - до 800 см -1


		В ароматичних сполуках
		Спостерігається поряд з (СН 3) при 1360 см -1
1430 1115 ± 25	оч.с оч.с	Точне віднесення невідоме
		в аліфатичних ефірах

Таблиця ХАРАКТЕРИСТИЧНІ ЧАСТОТИ КОЛИВАНЬ ДЕЯКИХ ГРУП
Група (тип коливань)	Хвильове число, см –1
O–H (валентні)
N–H (валентні)
C–H (валентні)
C C (валентні)
C=O (валентні)
C=N (валентні)
C=C (валентні)
N-H (деформаційні)
C-H (деформаційні)
O-H (деформаційні)

Інфрачервоні спектри органічних сполук

ІЧ-спектр н-гексану СН 3 (СН 2 ) 4 СН 3

ІЧ-спектр гексену-1 СН 2 =СН(CH 2 ) 3 СН 3

ІЧ-спектр гексанолу-2 СН 3 (CH 2 ) 3 СН(ОН)СН 3

ІЧ-спектр гексанону-2 СН 3 (CH 2 ) 3 С(О)СН 3

ІЧ-спектр толуолу СН 3

Завдання. Якому з наведених нижче з'єднань належить ІЧ-спектр, показаний на рис. Поясніть ваш вибір.

ІЧ-спектр невідомого з'єднання

Рішення. В області 1800-1650 см -1 поглинання відсутня, тому з'єднання не містить С=О групи. З двох речовин, що залишаються – фенолу та бензилового спирту – вибираємо спирт, тому що в спектрі є смуга  C–H =2950–2850 см –1 групи СН 2 (вуглець у стані sp 2 -гібридизації).

Курсова робота

Методи інфрачервоної спектроскопії та їх технічна реалізація

Вступ

Спектроскопія – розділ фізики та аналітичної хімії, присвячені вивченню спектрів взаємодії випромінювання з речовиною. У фізиці спектроскопічні методи використовуються вивчення різноманітних властивостей цих взаємодій. Області застосування спектроскопії поділяють за об'єктами дослідження: атомна спектроскопія, молекулярна спектроскопія, мас-спектроскопія, ядерна спектроскопія, інфрачервона спектроскопія та інші.

Виникнення спектроскопії можна віднести до 1666 року, коли І. Ньютон вперше розклав сонячне світло в спектр. Найважливіші етапи подальшого розвитку спектроскопії – відкриття та дослідження на початку 19 ст. ліній поглинання в сонячному спектрі (фраунгоферових ліній), встановлення зв'язку спектрів випромінювання та поглинання (Г.Р. Кірхгоф та Р. Бунзен, 1859) та виникнення на її основі спектрального аналізу. З його допомогою вперше вдалося визначити склад астрономічних об'єктів – Сонця, зірок, туманностей. У 2-й половині 19 - початку 20 ст. Спектроскопія продовжувала розвиватися як емпірична наука, був накопичений величезний матеріал про оптичні спектри атомів і молекул, встановлені закономірності в розташуванні спектральних ліній та смуг. У 1913 р. Бор пояснив ці закономірності на основі квантової теорії, згідно з якою спектри електромагнітного випромінювання виникають при квантових переходах між рівнями енергії атомних систем відповідно до постулатів Бора. Надалі спектроскопія зіграла велику роль у створенні квантової механіки та квантової електродинаміки, які, своєю чергою, стали теоретичною базою сучасної спектроскопії. Ці дослідження були розвинені далі Рубенсом, який цілком підтвердив справедливість формули Планка (1921).

Розвиток дослідження інфрачервоної області спектра та вдосконалення експериментальної методики ведуть до дедалі більшого з'ясування структури матерії та низки питань квантової механіки. Особливого значення набуває проблема кількісного вимірювання інтенсивностей, а також вимірювань у довгохвильовій частині спектру.

Якщо ми захочемо розділити історію інфрачервоної спектроскопії на періоди (хоча різкої межі проводити і не можна), то час до робіт Ланглея можна назвати піонерським періодом, після якого починається загальне широке вивчення спектра та енергійна розробка методів його вивчення; тоді ж було встановлено й основні закономірності. Можна вважати, що цей період закінчується зі смертю Рубенса в 1923, після якої ми вступаємо в смугу поглибленого детального вивчення.

У розвитку спектроскопії як фізичного методу дослідження речовини можна виділити два основні етапи. Перший етап є період емпіричного накопичення фактів - розкладання білого кольору в спектр за допомогою призми, спостереження ліній та смуг поглинання; встановлення багатьох закономірностей – зв'язок між погладжувальною та випромінювальною здатністю речовини, вплив на спектральні лінії зовнішніх магнітних та електричних полів, а також спроб теоретичного опису спостережуваних залежностей.

Другий етап, що почався після формулювання Бором 1913 р.

своїх знаменитих квантових постулатів і бурхливого розвитку квантової теорії, що послідував за цим, ознаменувався тим, що спектроскопія була наставлена на міцну наукову основу. Значний внесок у це зробили російські та радянські вчені. Поряд із створенням теоретичних основ спектроскопії, що призвели до відкриття ряду нових оптичних ефектів (явище комбінаційного розсіювання світла). Все це створило передумови для широкого впровадження спектроскопічних методів дослідження в різні галузі науки і практики.

Методами спектроскопії досліджують рівні енергії атомів, молекул та утворених з них макроскопічних систем та квантові переходи між рівнями енергії, що дає важливу інформацію про будову та властивості речовини. Як об'єкти спектроскопічного дослідження можуть бути використані найрізноманітніші речовини, що знаходяться в будь-яких агрегатних станах. У найпростішому випадку це розріджений газ, середня відстань між молекулами якого настільки велика, що можна розглядати ізольовано друг від друга. У найбільш складному випадку це конденсоване тіла, в якому кожна частинка, що його утворює, знаходиться під впливом сил міжмолекулярної взаємодії. У зв'язку з цим із спектроскопічних даних можна отримати інформацію як про структуру та властивості молекул, так і про сили міжмолекулярної взаємодії, а отже, про будову речовини загалом.

За допомогою інфрачервоних спектрів органічних сполук ми можемо визначити склад речовини, причому встановити як елементний склад, а й структурні особливості.

1. Походження ІЧ-спектрів

Інфрачервона спектроскопія – розділ спектроскопії, що охоплює довгохвильову область спектру (понад 730 нм за червоною межею видимого світла). Інфрачервоні спектри виникають у результаті коливального (почасти обертального) руху молекул, а саме в результаті переходів між коливальними рівнями основного електронного стану молекул. У фізиці спектроскопічні методи використовуються вивчення різноманітних властивостей цих взаємодій. У аналітичної хімії - виявлення і визначення речовин, з допомогою виміру їх характеристичних спектрів, тобто. методами спектрометрії

Метод інфрачервоної спектроскопії є універсальним фізико-хімічним методом, який застосовується у дослідженні структурних особливостей різних органічних та неорганічних сполук. Він ґрунтується на явищі поглинання групами атомів випробуваного об'єкта електромагнітних випромінювань в інфрачервоному діапазоні. Поглинання пов'язане із збудженням молекулярних коливань квантами інфрачервоного світла. При опроміненні молекули інфрачервоним випромінюванням поглинаються ті кванти, частоти яких відповідають частотам валентних, деформаційних, електронних коливань молекул. В основі цього методу лежить таке фізичне явище як інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоне випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, оскільки всі тіла, тверді та рідкі, нагріті до певної температури, випромінюють енергію в інфрачервоному спектрі. При цьому довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вища температура, тим коротша довжина хвилі і вища інтенсивність випромінювання.

Зазвичай зображення ІЧ-спектрів використовують частоту, рідше довжину хвилі. Число характеристичних смуг поглинання атомних груп, їх інтенсивність та положення максимумів, що спостерігаються на інфрачервоних спектрах, дають уявлення про будову індивідуальної сполуки або компонентний склад складних речовин. Інтенсивність смуги поглинання визначається величиною, яку поглинають атомні чи функціональні групи зразка під час проходження ними інфрачервоних променів. p align="justify"> Важливим діагностичним показником смуг поглинання є величина пропускання. Даний показник і концентрація речовини в об'єкті, що знімається, пов'язані зворотною пропорційною залежністю, що використовується для кількісних визначень вмісту окремих компонентів.

Інфрачервона спектроскопія займається головним чином вивченням молекулярних спектрів, так як в ІЧ-області розташована більшість коливальних та обертальних спектрів молекул. Дослідження будови молекул та інших об'єктів методами інфрачервоної спектроскопії передбачає отримання відомостей про параметри молекулярних моделей та математично зводиться до вирішення зворотних спектральних завдань. Розв'язання таких завдань здійснюється послідовним наближенням параметрів, розрахованих за допомогою спеціальної теорії спектральних кривих до експериментальних.

Інфрачервона спектроскопія дозволяє ідентифікувати просторові ізомери, вивчати внутрішньо- та міжмолекулярні взаємодії, характер хімічних зв'язків, розподіл зарядів у молекулах, реєструвати короткоживучі (час життя до 10 6с) частки, отримувати дані для обчислення термодинамічних функцій, встановлення форми нормальних коливань, розподіл коливальної енергії за ступенями свободи, положення смуг у спектрах та їх інтенсивність. Розрахунки спектрів молекул, що містять до 100 атомів, зокрема полімерів, виконуються за допомогою ЕОМ. При цьому необхідно знати характеристики молекулярних моделей (силові постійні, електрооптичні параметри та ін), які знаходять рішення відповідних зворотних спектральних завдань або квантово-хімічними розрахунками. Тому інфрачервона спектроскопія як метод вивчення будови молекул набула найбільшого поширення в органічній хімії. В окремих випадках для газів в інфрачервоній ділянці вдається спостерігати обертальну структуру коливальних смуг. Це дозволяє розраховувати дипольні моменти та геометричні параметри молекул, уточнювати постійні силові і т.д.

Інфрачервона спектроскопія має ряд переваг перед спектроскопією у видимій та ультрафіолетовій областях, оскільки дозволяє простежити зміну всіх основних типів зв'язків у молекулах досліджуваних речовин. При використанні інфрачервоної спектроскопії для визначення якісного та кількісного складу природних сумішей не відбувається руйнування речовин, що дозволяє застосовувати їх для подальших досліджень.

1.1 Класична теорія коливальних спектрів

Коливальні спектри є надзвичайно специфічними та чутливими характеристиками молекул, тому їх широко застосовують у хімічних дослідженнях. Перевагою методів коливальної спектроскопії є те, що їх можна використовувати для дослідження практично будь-якої речовини в будь-якому агрегатному стані (газоподібному, рідкому або твердому, у тому числі кристалів). Цей метод аналізу ґрунтується на записі інфрачервоних спектрів поглинання речовини. Поглинання речовиною області інфрачервоного випромінювання відбуваються з допомогою коливань атомів в молекулах. Для отримання коливальних спектрів досить дуже мало кількості досліджуваного матеріалу (залежно від типу та чутливості спектрометра, аж до кількох міліграмів).

Розрізняють кілька типів коливань атомів у багатоатомній молекулі: валентні (змінюється відстань між атомами) вони поділяються на симетричні та антисиметричні; деформаційні (змінюється кут між зв'язками без зміни їхньої довжини) (рисунок 1, а - в).

а б в

а − валентно-симетричні; б – валентно-антисиметричні; в − деформаційні

Малюнок 1. Коливання атомів у триатомній молекулі SO

При валентно-симетричних коливаннях дипольний момент не змінюється (немає ліній ІЧ-області). Валютно-антисиметричні коливання та деформаційні порушують симетричність молекули, з'являється дипольний момент і, як наслідок, виникають лінії в ІЧ-області. Переходи між різними коливальними станами в молекулах квантовані, завдяки чому поглинання ІЧ-області має форму спектра, де кожному коливанню відповідає своя довжина хвилі. Довжина хвилі для кожного коливання залежить від того, які атоми в ньому беруть участь, і крім того вона мало залежить від їх оточення. Тобто для кожної функціональної групи, характерні коливання певної довжини хвилі, точніше навіть для кожної групи характерний ряд коливань (відповідно і смуг в ІЧ-спектрі). Саме на цих властивостях ІЧ-спектрів засновано ідентифікацію сполук за спектральними даними. (Малюнок 2).

Малюнок 2. Графічне подання обертального, коливального, електронного переходів

З усіх коливальних переходів найімовірнішим є перехід на найближчий коливальний підрівень. Йому відповідає спектральна лінія, яка називається основною. Менш можливим переходом більш високі коливальні підрівні відповідають спектральні лінії, звані обертонами. Їх частота 2, 3 і т.д. разів більша, ніж частота основної лінії, а інтенсивність набагато менша. Основну лінію позначають буквою n, а обертони 2n, 3n і т.д. Більшість відомих коливальних частот лежить у діапазоні 1012-1014 Гц, що відповідає інфрачервоному (ІЧ) діапазон електромагнітного випромінювання.

Основними методами коливальної спектроскопії є ІЧ-спектроскопія та спектроскопія комбінаційного розсіювання світла (КР), також звана Раманівським розсіюванням. ІЧ-спектри є спектрами поглинання, і за їх інтерпретації оперують поняттями смуг поглинання.

ІЧ-спектрометри дозволяють швидко отримувати коливальні спектри рідин і газів, а також твердих тіл, досить прозорих в досліджуваній області частоти випромінювання (приблизно 40-6000 см-1 для найпоширеніших приладів), що дозволяє проводити якісний і кількісний аналіз зразків. Внаслідок того, що деякі коливальні переходи можуть бути заборонені правилами відбору, ряд коливальних частот, властивих характерним структурним групам, може бути відсутнім у спектрах, що реєструються ІЧ-спектрометрами. У цьому випадку допоможе може прийти метод КР, якщо відповідні спектральні смуги дозволені правилами відбору для випромінювальних переходів.

Рисунок 3. Приклади коливальних спектрів

.2 Квантово-механічне представлення коливальних спектрів

Застосування методів коливальної спектроскопії вимагають різної глибини знання теорії коливальних спектрів. Сучасна електронно-обчислювальна техніка дозволяє проводити теоретичний розрахунок коливального спектра та низки молекулярних параметрів навіть порівняно складних молекул.

Коливальні енергетичні рівні молекули можна отримати розв'язанням відповідного квантово-механічного завдання. Стан молекули як єдиної системи з ядер та електронів описуються повною хвильовою функцією Y . Квантово-механічний оператор Ĥ (гамільтоніан) у хвильовому рівнянні Шредінгера

Ĥ Y = Е Y

визначальному енергії Е стаціонарних станів, включає члени, пов'язані з орбітальним і спиновим рухом електронів: коливальним і обертальним рух ядерного скелета (поступальним рухом можна знехтувати).

У наближенні, що враховує велику відмінність мас і рухливостей електронів і ядер, можливо, перш за все, поділ електронного та ядерного руху, причому для хвильових функцій - з точністю до (m/M) Ѕ , а для енергій - з точністю до (m/M) ј , де m – маса електронів, а М – маса ядер. Тоді можна записати: Y = Y e Y n та Ĥ e +Ĥ n , де Y e та Ĥ e відносяться тільки до електронного руху, а Y n та Ĥ n - Тільки рух ядер. У досить хорошому багатьом цілей наближенні можна розділити також коливальний і обертальний рух ядерного скелета, тобто. уявити

Y = Y e Y u Y r і Ĥ= Ĥ е + Ĥ u + Ĥ r ,

що дає можливість вирішувати три рівняння виду (1) окремо та знаходити відповідно енергії електронних, коливальних та обертальних станів молекули, що становлять повну енергію Е=Е е + Е u + Е r .

Нас цікавитиме тут результат вирішення лише коливального рівняння

Ĥ u Y u = Е u Y u

Для розгляду коливального руху потрібно ввести координати, які описували лише відносні зміщення ядер. Поступальний рух молекули може бути описано трьома координатами, що характеризують положення центру мас, а обертальний рух - трьома координатами, як яких можуть бути обрані кути, що описують орієнтацію молекули щодо зовнішньої системи координат з початком в центрі мас. У разі лінійної молекули її орієнтація повністю характеризується двома незалежними координатами. У двоатомної молекули є лише один коливальний ступінь свободи (n=1), тобто. лише одна координата Q= D r, що представляє зміну міжядерної відстані, від якої залежить коливальна функція хвиль. Для N-атомної молекули можна запровадити n = 3N-6 (для лінійної 5N-5) таких координат Q k , Кожна їх повністю характеризує зміщення ядер щодо рівноважних положень у якомусь одному основному коливальному стані. Це звані нормальні координати.

При використанні нормальних координат коливальну хвильову функцію та коливальну енергію N-атомної молекули можна представити відповідно як добуток:

І суму:

У гармонійному наближенні Y k та E k - власні функції та власні значення операторів , що залежать тільки від однієї координати Q k :

де ħ = h/2 p ; h – постійна Планка; l k = 4p 2n k 2.

Цей оператор призводить до рівняння Шредінгера для гармонійного осцилятора. Його власні значення енергії:

де u k = 0, 1, 2, 3, ... − коливальне квантове число, а u ek - коливальна постійна.

Для двоатомних молекул індекс k скрізь можна відпустити, рахуючи Q= D r, а постійна , тобто. збігається з виразом класичної частоти гармонійних коливань. Тут m = m 1m 2/m 1+ m 2 - наведена маса двоатомної молекули з ядрами, що мають маси m 1та m 2; k e - гармонійна силова стала, що представляє другу похідну функції потенційної енергії у точці рівноваги, тобто. . Потенційна крива для реальної двоатомної молекули приблизно апроксимується функцією Морзе:

де D e і b - Постійні.

Разом з параболічною функцією гармонійного осцилятора ця функція показана на малюнку 4. Система рівнянь енергії реально є схожою до межі, а не системою рівновіддалених рівнів згідно з формулою (12), що виходить в гармонійному наближенні.

Коливальна енергія багатоатомної молекули в гармонійному наближенні є функцією коливальних квантових чисел n u k :

де d k - ступінь виродження (може дорівнювати 1, 2, 3) коливального стану, яке вважається один раз, тобто. за наявності виродження n<3N-6 (или 3N-5).

Хвильова коливальна функція багатоатомної молекули як добуток хвильових функцій гармонійного осцилятора має вигляд:

де N u - нормувальний множник; Н u k - Полін Ерміта.

Вироджені стани збігаються за енергією, але характеризуються різними хвильовими функціями (різних координат).

Таким чином, багатоатомна молекула має набір коливальних станів з певною енергією, яка залежить від n коливальних квантових чисел u k , що характеризуються коливальною хвильовою функцією, яка залежить від усіх 3N-6 (або 3N-5) коливальних координат.

Рівні, що характеризуються набором квантових чисел, у тому числі лише одне має значення одне, інші ж рівні нулю, називаються головними чи фундаментальними. Якщо якесь одне квантове число u k має значення більше одиниці, інші ж рівні нулю, то рівень називається обертонним. Коли два чи більше квантових чисел, що характеризуються рівень, відмінні від нуля, рівень називають складовим або комбінованим.

Коливальний спектр речовини спостерігається при поглинанні ним ІЧ-випромінювань або комбінаційному розсіюванні світла, коли в результаті взаємодії молекул з фотонами n відбуваються зміни коливальних станів, тобто. молекули переходять інші рівні енергії. Різниця енергій станів, між якими відбувається перехід, дорівнює відповідно до співвідношення Бору:

D E = h n = hc w

де n - Частота випромінювання, що поглинається (або випускається).

У ІЧ-спектрі поглинання інтенсивність пропорційна ймовірності, тобто. та квадрату моменту переходу ï М u ï 2:

де − оператор електричного дипольного моменту, що є функцією коливальних координат.

Маючи на увазі зв'язок моменту з його проекціями на осі координат

можна записати також складники

які є певними інтегралами у всьому координатному просторі, тобто. числами і не змінюються при виконанні операції симетрії.

Щоб перехід між станами і був можливий, принаймні одна зі складових M x , M y , M z має бути відмінна від нуля. Інтенсивність залежить від значення цих складових. Якщо при наближенні малих коливань (зміщень) провести розкладання m x (m y , m z ) у ряд за ступенями Q k біля положення рівноваги, то, опускаючи викладки та нехтуючи вищими членами розкладання, маємо

(В аналогічні вирази для M y та M z ). Таким чином, щоб перехід був можливий, хоч би одна з похідних

повинні бути не рівними нулю.

Залежно від того, яка з проекцій V x , M y або M z ¹ 0 чи яка є найбільшою, говорять про поляризацію переходу вздовж відповідної осі. Це дає іноді можливість виділяти звані паралельні і перпендикулярні переходи. Відносна інтенсивність смуг спектру різних типів переходів залежить від заселеності коливальних станів чи рівнів.

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

При кімнатній температурі найзаселенішим є рівень нульової коливальної енергії. Відповідно до цього найбільш інтенсивні в спектрі смуги основних або фундаментальних частот.

Коливально-обертальні спектри молекул у газовій фазі при досить високій роздільній здатності можуть мати розвинену обертальну структуру, вивчення якої може представляти як самостійний інтерес, особливо для порівняно простих молекул, так і служити для інтерпретації самих коливальних спектрів. Теорія коливальних спектрів молекул у конденсованих фазах ускладнюється міжмолекулярною взаємодією та впливом кристалічного поля.

2. Принципи влаштування ІЧ-спектрометрів

При багатьох різних типів сучасних ІЧ - спектрометрів за загальним принципам пристрою їх можна розділити на дві основні групи. Перша включає прилади з послідовним скануванням та реєстрації спектра за допомогою одноканального приймача, а друга - спектрометри, в яких на приймач потрапляє відразу випромінювання всього спектрального діапазону, що вивчається, але сигнали перетворюються і розшифровуються так, що виходить інформація про кожну окрему ділянку і реєструється повний спектр всьому діапазоні. ІЧ спектрометри за схемою освітлення бувають однопроменеві та двопроменевими. При однопроменевій схемі спектр поглинання досліджуваного об'єкта реєструється на кривій інтенсивності випромінювання джерела, що спадає з довжиною хвилі, разом з фоновим поглинанням. Щоб отримати спектр (у відсотках пропускання), потрібно зареєструвати також криву інтенсивності випромінювання джерела (фоновий спектр). Приймаючи інтенсивність за кожної l у цих спектрах відповідно як I l та I 0l знаходять значення пропускання T l = (I l /I 0l )× 100% і стоять по точках спектральну криву залежно від l (або w ) або аналогічно для поглинання (1-T) × 100%, або шкалою оптичної щільності A = lg (1 / T).

Тепер частіше використовується двопроменева схема, що дозволяє вирівнювати тло, тобто. лінію повного пропускання, та компенсувати поглинання атмосферних пар H 2O та CO 2а також ослаблення пучків вікнами кювету і, якщо необхідно, поглинання розчинників.

Реєстрація спектра здійснюється в такий спосіб. ІЧ-випромінювання від джерела 1 ділиться на два пучки. Робочий пучок проходить через зразок, а пучок порівняння через компенсатор (кювета з розчинником, вікно і т.п.). За допомогою переривника 5 пучки почергово направляються на вхідну щілину монохроматора 6 і через неї на диспергувальний елемент 7. При повільному його повороті (або повороті дзеркала Літтрова за призмою), здійснюваної мотором розгортки 14, через вихідну щілину 8 монохроматора на приймач 9 послідовно проходять вирізані щілину вузькі за інтервалом довжин хвиль промені. Якщо випромінювання даної довжини хвилі в робочому пучку та пучку порівняння має різну інтенсивність, наприклад ослаблено в робочому пучку поглинанням зразка, то на приймачі виникає змінний електричний сигнал. Після посилення і перетворення цей сигнал надходить на відпрацювання мотор 11, який приводить в рух фотометричний клин 12 (діафрагму) до зрівнювання потоків випромінювання. Рух фотометричного клину пов'язане з рухом пера самописця 13 по ординаті, а поворот диспергуючого елемента - з протяжкою паперової стрічки або рухом утримувача пера по абсцисі. Таким чином, залежно від градуювання в процесі сканування може реєструватися спектральна крива залежності пропускання (поглинання) у відсотках або оптичній щільності зразка хвильового числа (або довжини хвилі).

Принциповою частиною спектрометрів, що сканують, є монохроматор. Як диспергуючий пристрій в ньому можуть служити призми з прозорих в ІЧ - області матеріалів з відповідною дисперсією або дифракційні грати. Оскільки дисперсія матеріалів є найбільшою у довгохвильової межі їх прозорості та швидко падає зі зменшенням довжини хвилі, у середній ІЧ області використовують зазвичай змінні призми, виготовлені з монокристалів LiF, NaCI, KBr.

Нині призми дедалі більше замінюються дифракційними ґратами. Але грати, значно краще пропускаючи променисту енергію проти призмою, має той недолік, що дає накладання спектрів вищих порядків. Він не усувається наявністю в спектрометрі декількох змінних решіток для різних спектральних областей і вимагає, особливо в довгохвильовій ділянці, де інтенсивність випромінювання дуже мала, хороших спектральних фільтрів.

Як джерела безперервного ІЧ - випромінювання використовуються зазвичай силітовий стрижень - «глобар» (штифт з карбіду кремнію) або штифт Нернста (з оксидів рідкісноземельних елементів).

У зв'язку із слабкістю джерел виникає проблема фільтрації корисного випромінювання. Використовуються чотири основні типи фільтрів: поглинаючі (кристалічний кварц, кристали галогенідів лужних металів, пластинки з деяких напівпровідникових матеріалів), що відбивають (іонні кристали - фільтри залишкових променів), що розсіюють (металеві сітки, алюмінієві пластинки з шорсткою поверхнею), і прозорих матеріалів із різними показниками заломлення).

Як приймачі випромінювання в спектрометрах для середньої ІЧ-області використовуються чутливі термопари («термостолбіки») або болометри, побудовані за принципом термометрів опору. Майданчики теплових приймачів порядку від десятих до цілих мм 2для більшої ефективності покриваються чорним, і приймач поміщається в евакуйований корпус із вікном, прозорим для ІЧ - випромінювання.

До теплових джерел відноситься також пневматичний або оптико-акустичний приймач, в якому під впливом випромінювання відбувається теплове розширення газу. Газ міститься в зачорненій камері з гнучкою стінкою, що має дзеркальне зовнішнє покриття. Рух відбитого дзеркалом світлового променя реєструється фотоелементом. Цей приймач виготовляється зазвичай для довгохвильової ІЧ - області, де використовується також інша група приймачів: квантові або фотонні, наприклад такі приймачі з фотопровідністю.

Фур'є-спектроскопія має низку переваг. Дві основні переваги перед стандартними спектрометрами ось у чому. Тут в інтерферометрі на протязі всього часу сканування виходить інформація одночасно про весь досліджуваний спектральний діапазон, а в звичайному спектрометрі в різні моменти часу виходить інформація тільки про вузькі спектральні смуги досліджуваного діапазону. Так само дає можливість підвищення роздільної здатності інтерферометра без зменшення потоку променистої енергії. Роздільна здатність фур'є − спектрометра пропорційна максимальній різниці ходу пучків і, щоб підвищити, наприклад, удвічі роздільну здатність спектра, потрібно просто подвоїти довжину переміщення дзеркала, тобто. і час реєстрації, можливість використовувати великі кути як джерел, так і у приймача. У дифракційних спектрометрів роздільна здатність знаходиться у зворотному пропорційної залежності від ширини щілин, а енергія, що потрапляє на приймач, пропорційна квадрату площі двох однакових щілин. Якщо вдвічі зменшити ширину щілин (для підвищення роздільної здатності), сигнал зменшиться вчетверо і для збереження ставлення сигналу до шуму час реєстрації необхідно збільшити в 16 разів.

Переваги фур'є-спектроскопії: дуже висока чутливість та точність вимірювань інтенсивності, особливо при багаторазовому скануванні та накопиченні сигналу; дуже висока роздільна здатність та висока точність визначення хвильових чисел; швидкодія, тобто. можливість швидкого дослідження широкої спектральної області (час сканування для інтервалу в кілька сотень см -1становить менше 1с), та ін.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВА РОБОТА

Метод ІЧ-спектроскопії, застосування методу ІЧ-спектроскопії у фармацевтичному аналізі

Вступ

1. Сутність методу інфрачервоної спектроскопії

2. Характеристика коливань

3. Використання інфрачервоної спектроскопії для якісного виявлення та визначення структури

4. Прилади для інфрачервоної спектроскопії

5. Підготовка зразка

6. Ідентифікація

6.1 Ідентифікація з використанням стандартних зразків

6.2 Ідентифікація з використанням еталонних спектрів

Висновок

Список літератури

додаток

Вступ

Фармацевтична хімія - наука, яка, базуючись на загальних законах хімічних наук, досліджує способи одержання, будови, фізичних та хімічних властивостей лікарських речовин, взаємозв'язок між їхньою хімічною структурою та дією на організм, методи контролю якості та зміни, що відбуваються при зберіганні.

Основними методами дослідження лікарських речовин у фармацевтичній хімії є аналіз та синтез.

Завдання, що стоять перед фармацевтичною хімією, вирішуються за допомогою класичних фізичних, хімічних та фізико-хімічних методів, які використовуються як для синтезу, так і для аналізу лікарських речовин.

Але способи фармацевтичного аналізу потребують систематичного вдосконалення у зв'язку зі створенням нових ЛЗ та безперервним підвищенням вимог до їх якості. Причому зростають вимоги як до ступеня чистоти ЛХ, так і до кількісного змісту. Тому необхідне широке використання з метою оцінки якості ЛЗ як хімічних, а й більш чутливих фізико-хімічних методів.

Фізико-хімічні методи аналізу (ФХМА) засновані на використанні залежності фізичних властивостей речовин (наприклад, світлопоглинання, електричної провідності тощо) від їхнього хімічного складу.

До цих методів аналізу належать: оптичні методи; методи, що ґрунтуються на поглинанні випромінювання; методи, засновані на випромінюванні випромінювання; методи, що ґрунтуються на використанні магнітного поля; електрохімічні методи; методи поділу; Термічні методи.

Спектроскопія - розділ фізики та аналітичної хімії, присвячені вивченню спектрів взаємодії випромінювання (у тому числі електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль та ін) з речовиною. (Спектральні методи засновані на поглинанні електромагнітного випромінювання визначальним речовиною).

Області застосування спектроскопії поділяють за об'єктами дослідження: атомна спектроскопія, молекулярна спектроскопія, мас-спектроскопія, ядерна спектроскопія, інфрачервона спектроскопія та інші.

Інфрачервоні спектри (коливальні спектри) (ІЧ-спектри) виникають внаслідок поглинання енергії електромагнітного випромінювання при коливаннях ядер атомів у молекулах або іонах, що супроводжуються зміною дипольних моментів, і є залежністю пропускання або поглинання від довжини хвилі (л) або частоти коливань (н ).

Метод ІЧ-спектроскопії відіграє важливу роль в ідентифікації хімічних та органічних речовин, завдяки тому, що кожна хімічна сполука має неповторний ІЧ-спектр.

1. Звучність методу інфрачервоної спектроскопії

Під інфрачервоною областю (ІЧ-область) мають на увазі електромагнітне випромінювання в області довжин хвиль від 0,78 до 400 мкм. Область від 780 до 2500 нм (від 0,78 до 2,5 мкм) розглядається як ближня ІЧ-область, область від 2,5 до 25 мкм (від 4000 до 400 см -1) відноситься до середньої ІЧ-області спектра та область від 25 до 400 мкм відноситься до далекої ІЧ-області. Найчастіше використовується середня ІЧ-область.

Довжину хвилі (л) в ІЧ-спектрах зазвичай вимірюють у мікрометрах (мікронах), мкм.

Оскільки частота коливань в ІЧ-спектрах має великі числові значення, зазвичай використовують не частоти (н), а хвильові числа (), які вимірюються в см-1 та пов'язані з частотою ( н) рівнянням:

= н /з,

де н- Частота, Гц (з -1);

з- Швидкість світла у вакуумі, см з -1 .

Хвильове число () пов'язане з довжиною хвилі (л, мкм) співвідношенням:

= 104/л.

Смуги поглинання з'являються в результаті переходів між коливальними рівнями основного електронного стану системи, що вивчається. Спектральні характеристики індивідуальної молекули залежать від мас її атомів, геометрії будови, особливостей міжатомних сил, розподілу заряду та ін. Тому інфрачервоні спектри відрізняються великою індивідуальністю, що і визначає їх цінність при ідентифікації та вивченні будови сполук.

Для того щоб зрозуміти принципи, на яких заснована ІЧ-спектроскопія, необхідно познайомитися з внутрішнім рухом атомів у молекулі. Молекули є динамічними системами. Ковалентно пов'язані атоми не залишаються нерухомими один щодо одного, а безперервно здійснюють коливання різного типу, найважливіші з яких - валентні та деформаційні.

2. Характеристикавагань

Валентними коливаннями називаються коливання двох атомів уздовж лінії зв'язку і призводять до зміни відстані між атомами (відстань між двома атомами зменшується або збільшується, але атоми зберігаються на осі валентного зв'язку).

Вони позначаються "н".

Валентні коливання можуть бути:

Деформаційні коливання вимагають менше енергії порівняно з валентними, а отже, смуги, що відповідають цим коливанням, мають менші хвильові числа.

При дії на молекулу випромінюванням відповідному ІЧ-області відбувається зміна коливань. У цьому виникають смуги поглинання.

Графічно їх зображують як залежності величини поглинання від частоти.

3. Використання інфрачервоної спектроскопії для якісного виявлення та визначення структури

інфрачервоний спектроскопія фармацевтичний лікарський

При інфрачервоній спектроскопії в діапазоні кожного хімічного угруповання органічної молекули відповідає певний набір смуг поглинання, які добре вивчені та наведені у відповідних довідниках.

Особливістю методу інфрачервоної спектроскопії є те, що смуги поглинання одного і того ж виду коливань атомної групи різних речовин розташовуються в певному діапазоні інфрачервоного спектру (наприклад, 3720-3550 см-1 діапазон валентних коливань груп -ОН; 3050-2850 см-1 - груп -СН, -СН2, -СН3 (органічних речовин). Точне положення максимуму смуги поглинання атомної групи в межах цього діапазону вказує на природу речовини (так максимум 3710 см-1 свідчить про наявність груп -ОН, а максимум 3030 см-1 - про присутність груп =С-Н ароматичних структур).

При аналізі умовно виділяють 4 області:

3700-2500 см -1 - область одинарних зв'язків («водневих»);

2500-1900 см -1 - область потрійних зв'язків;

1900 - 1300 см -1 - область подвійних зв'язків;

Менш 1300 см -1 - область відбитків пальців (специфічна для кожної речовини).

Число характеристичних смуг поглинання атомних груп, їх інтенсивність та положення максимумів, що спостерігаються на інфрачервоних спектрах, дають уявлення про будову індивідуальної сполуки або компонентний склад складних речовин. Інтенсивність смуги поглинання визначається величиною чисельно рівної енергії, яку поглинають атомні або функціональні групи зразка при проходженні через них інфрачервоних променів. p align="justify"> Важливим діагностичним показником смуг поглинання є величина пропускання. Даний показник і концентрація речовини в об'єкті, що знімається, пов'язані зворотною пропорційною залежністю, що використовується для кількісних визначень вмісту окремих компонентів.

Метод інфрачервоної спектроскопії дає змогу досліджувати тверду, рідку фази біологічної маси. Цей метод дозволяє вивчати зразок загалом, без його розчленування та попередніх хімічних обробок, а також використовувати малі навішування.

4. Прилади для інфрачервоної спектроскопії

Можуть бути використані інфрачервоні спектрофотометри, забезпечені оптичною системою (призми або дифракційні грати), що виділяє монохроматичне випромінювання в області вимірювання, або спектрофотометри з Фур'є-перетворенням. В останніх використовується поліхроматичне випромінювання і розраховується спектр заданої області частот шляхом Фур'є-перетворення вихідних даних. У таких приладах замість диспергуючого приладу використовується інтерферометр, а обробка спектральних даних здійснюється за допомогою комп'ютера.

Зняття ІЧ-спектру проводять в області 4000-400 см-1. Джерело ІЧ випромінювання 1 випускає випромінювання, яке за допомогою сферичних дзеркал 2 фокусується на кювету з речовиною 3 і порівняння кювету 4 . Пройшло через кювету випромінювання через систему дзеркал 5 надходить на монохроматор. Як монохроматор використовується призма або дві дифракційні грати. Призма повільно обертається навколо своєї осі, при кожному куті повороту через вихідні щілини 7 на детектори 8 надходить випромінювання якоїсь певної довжини хвилі. Якщо в якийсь момент часу на детектори надходять випромінювання, які в кюветі з речовиною не поглинулося, інтенсивність випромінювання падаючого на обидва детектори буде однаково, а значить, електричний сигнал від них буде взаємовичитуватися і давати нульову лінію на спектрі. Якщо при наступному повороті призми вона починає пропускати випромінювання, яке поглинається досліджуваною речовиною, інтенсивність випромінювання падаючого на обидва детектори буде різні. В результаті віднімання сигналів детектора призведе до появи смуги поглинання на графіку.

Як джерело випромінювання використовують циліндр довжиною 2см, товщиною 1мм, виготовлений з оксидів рідкісноземельних елементів, нагрітий до t=15000 0 С (силитові стрижні), з електричним струмом, що проходить через нього. Вся оптика в ІЧ – спектроскопії (кювети, дзеркала, монохроматор) виготовлені із солей KBr, NaCl, CaCl 2. Оскільки звичайне скло та кварц ІЧ випромінювання поглинають. Як детектори використовується термобар.

5. Пвідготування зразка

Для запису спектра пропускання або поглинання готують зразок субстанції однією з наступних методик.

Рідини.Рідини досліджують у формі плівки між двома пластинками, прозорими для інфрачервоного випромінювання, або у кюветі з малою (зазвичай 0,01 - 0,05 мм) товщиною шару, також прозорою для інфрачервоного випромінювання.

Рідини чи тверді речовини у розчині.Готують розчин випробуваної субстанції у відповідному розчиннику. Вибирають концентрацію речовини та товщину шару кювети, що дозволяють отримати задовільний спектр.

Зазвичай, хороші результати отримують при концентраціях від 10 до 100 г/л при товщині шару від 0,5 до 0,1 мм.

Поглинання розчинника компенсують шляхом приміщення канал порівняння аналогічної кювети, що містить обраний розчинник.

Кювети.Якщо кювети, заповнені розчинником, мають різне поглинання при вибраній довжині хвилі, то вносять поправку на виміряне поглинання випробуваного розчину. При використанні спектрофотометрів з Фур'є-перетворенням корекція кювету не потрібна, оскільки одна і та ж кювета може бути використана і для розчинника і для випробуваного розчину. Область прозорості кювети в ІЧ області залежить від використаного матеріалу.

Розчинники.Не існує розчинників, які за значної товщини шару були б повністю прозорими для ІЧ-спектрів. Чотирьоххлористий вуглець (при товщині шару до 5 мм) практично прозорий до 6 мкм (1666 см -1). Вуглецю дисульфід (товщиною 1 мм) підходить як розчинник до 40 мкм (250 см -1) за винятком областей від 4,2 до 5,0 мкм (від 2381 до 2000 см -1) та від 5,5 до 7,5 мкм (від 1819 до 1333 см-1), де він має сильне поглинання. Інші розчинники прозорі щодо вузької області. Розчинники, які застосовуються в спектрометрії в інфрачервоній ділянці, повинні бути інертні до матеріалу, з якого виготовлена кювета.

Тверді речовини.Тверді речовини досліджують у твердому стані (диски з галогенідів лужних металів), диспергованим у відповідній рідині у вигляді суспензії або формують плівку з розплавленої маси між двома пластинами, прозорими для інфрачервоного випромінювання. Підготовку зразка описують у фармакопейній статті.

Диски. 1 - 3 мг речовини, призначеної для випробування, розтирають з 150 - 200 мг (якщо не зазначено інакше у фармакопейній статті) ретельно подрібненого та висушеного калію броміду або калію хлориду (зазвичай використовують калію бромід). Типові умови висушування калію броміду: при 105 °С у вакуумі протягом 12 год. Зазвичай такої кількості достатньо для приготування диска діаметром 13 мм і отримання спектра відповідної інтенсивності. Суміш ретельно перетирають, домагаючись необхідної однорідності, і пресують диск при тиску близько 800 МПа (8 т/см 2 ) у вакуумі (2-3 мм рт. ст.) протягом 2-5 хв.

Причиною утворення неякісних дисків можуть бути такі фактори, як недостатнє чи надмірне розтирання, волога чи інші домішки дисперсійного середовища. Диск не придатний для випробування, якщо в області проходження променя на диску є тріщини, або при візуальному огляді він неоднорідний за прозорістю або його пропускання при 2000 см -1 (5 мкм) становить менше 60% без компенсації за відсутності специфічної смуги поглинання.

Суспензії.Невелика кількість речовини, призначеної для випробування, розтирають з мінімальною кількістю вазелінової олії або іншої потрібної рідини (змішують 5 - 20 мг твердої речовини з 1 - 2 краплями імерсійної рідини). Отриману суспензію стискають між двома пластинками (NaCl або KBr), прозорими інфрачервоного випромінювання.

Гази.Гази досліджують у прозорій кюветі для інфрачервоного випромінювання, з довжиною оптичного шляху близько 100 мм. Відкачують повітря з кювети та заповнюють аналізованим газом через кран або за допомогою голчастого клапана.

Якщо необхідно, тиск в кюветі доводять до атмосферного, використовуючи газ, прозорий для інфрачервоного випромінювання (наприклад, азот або аргон). Для виключення перешкод, пов'язаних з поглинанням води, вуглецю діоксиду або інших атмосферних газів, канал порівняння поміщають ідентичну кювету, яка або вакуумована, або заповнена газом, прозорим для інфрачервоного випромінювання.

Для запису спектра методом порушеного повного внутрішнього відображення підготовку зразка проводять одним із способів.

Розчини.Речовину розчиняють у відповідному розчиннику, дотримуючись умов, наведених у фармакопейній статті. Розчин випаровують на поверхні внутрішнього елемента відбиття, який зазвичай виготовляють із кристала броміду йодиду талію (KRS-5), германію або іншого мінералу з великим показником заломлення.

Тверді речовини.Речовину поміщають на поверхню внутрішнього елемента відображення таким чином, щоб досягти якомога щільнішого і повнішого контакту з усією поверхнею кристала (зазвичай підготовку таких зразків проводять під тиском).

Підготовка зразків для спектрометрії в інфрачервоній ділянці дифузного відображення: випробувану речовину розтирають із ретельно подрібненим і висушеним калію бромідом або калію хлоридом. Якщо не зазначено інакше у фармакопейній статті, вміст випробуваної речовини в отриманій суміші має становити близько 5%. Суміш ретельно перетирають та реєструють спектр.

Домішки у газах.Для аналізу домішок у газах використовують кювету, прозору для інфрачервоного випромінювання і відповідну довжину оптичного шляху. Кювету заповнюють так, як зазначено у розділі Гази. Для виявлення та кількісної оцінки домішок використовують методики, зазначені у фармакопейних статтях.

6.Ідентифікація

6.1 Ідентифікаціяз використанням стандартних зразків

Зразок випробуваної речовини і стандартний зразок готують за однією і тією ж методикою і записують спектри, якщо не зазначено інакше у фармакопейній статті, в області від 4000 до 650 см -1 , в деяких випадках до 200 см -1 в одних і тих же умовах . Смуги поглинання в спектрі випробуваного зразка повинні відповідати положення смугами поглинання в спектрі стандартного зразка.

ІЧ-спектри стандартного зразка (А) та досліджуваної речовини (Б).

Якщо спектри, отримані в твердому стані, показують відмінності в положенні смуг поглинання, то випробувану субстанцію і стандартний зразок обробляють тим самим способом так, щоб вони кристалізувалися або виходили в одній і тій же формі, або обробляють способом, зазначеним у фармакопейній статті, а потім знімають спектри.

6 . 2 Ідентифікація з використанням еталонних спектрів

Контроль роздільної здатності. Записують спектр полістиролу плівки товщиною 0,04 мм. Різниця х (малюнок) між відсотком пропускання при максимумі пропускання А при 2870 см -1 (3,48 мкм) і мінімумі пропускання при 2849,5 см -1 (3,51 мкм) повинна бути більше 18. Різниця y між відсотком пропускання при максимумі пропускання при 1589 см -1 (6,29 мкм) і мінімумі пропускання D при 1583 см -1 (6,32 мкм) повинна бути більше 10.

Контроль роздільної здатності ІЧ-спектрометрів з Фур'є-перетворенням проводять відповідно до рекомендацій виробника приладу.

Перевірка шкали хвильових чисел.Шкала хвильових чисел може бути перевірена за допомогою плівки полістиролу, яка має мінімум пропускання (максимум поглинання) при хвильових числах (см -1), наведених у таблиці.

Методика.Субстанцію готують до випробування відповідно до інструкції до еталонного спектру. Використовуючи умови, за яких проводилася перевірка роздільної здатності, записують спектр випробуваного зразка і на нього накладають смуги полістиролу при 2849,5 см -1 (3,51 мкм), 1601,2 см -1 (6,25 мкм) та 1028,3 см-1 (9,72 мкм). Порівнюють два спектри (еталонний і спектр випробуваної субстанції) та смуги полістиролу, зазначені вище. При використанні положення смуг полістиролу як стандартних величин, положення значних смуг у спектрі субстанції, що випробувається, і в еталонному спектрі повинні відповідати один одному в межах 0,5 % від шкали хвильових чисел. Відносна величина смуг обох спектрів має узгоджуватися між собою.

Малюнок - Типовий спектр полістиролу, що використовується для перевірки роздільної здатності

Таблиця 1 - Мінімуми пропускання та допустимі межі для плівки полістиролу

Мінімуми пропускання, см -1	Допустимі межі, см -1
	ІЧ-спектрометр із монохроматором	ІЧ-спектрометр з Фур'є-перетворенням

Висновок

Інфрачервона спектроскопія знаходить застосування у дослідженні будови напівпровідникових матеріалів, полімерів, біологічних об'єктів та безпосередньо живих клітин, як метод вивчення будови молекул набула найбільшого поширення в органічній та елементоорганічній хімії. В окремих випадках для газів в інфрачервоній ділянці вдається спостерігати обертальну структуру коливальних смуг.

ІЧ-спектроскопія з кожним роком набуває все більшого поширення як дуже цінний фізичний метод дослідження будови молекул і потужний аналітичний метод.

Впровадження спектроскопії у сферу фармацевтичного аналізу ЛЗ послужило сильним поштовхом щодо її розвитку та вдосконалення. Завдяки різноманіттю можливостей застосування, високої точності результатів та чутливості виявлення, суттєвому скороченню часу проведення аналізу.

Список літератури

Лекційний матеріал.

Т. Х. Вергійчик, Токсикологічна хімія.

В. Г. Бєліков, Фармацевтична хімія.

Державна фармакопея РФ XIII видання.

Державна фармакопея РФ XI видання.

А.В. Васильєв, Є.В. Гріненко «Інфрачервоні спектри органічних та природних сполук», Санкт-Петербург, 2007р., 30с.

Белламі Л., Інфрачервоні спектри молекул, пров. з англ., М., 1957;

Крос А., Введення в практичну інфрачервону спектроскопію, пров. з англ., М., 1961;

Казіцин Л.А., Куплетська Н.Б. Застосування УФ, ІЧ, ЯМР та мас-спектроскопії в органічній хімії. М: Вид-во Моск. ун-ту, 1979, 240 с.;

Юхневич Г.В. Інфрачервона спектроскопія води. М. 1973.

Казіцин Л.А., Куплетська Н.Б. Застосування УФ, ІЧ, ЯМР та мас-спектроскопії в органічній хімії. М: Вид-во Моск. ун-ту, 1979.

Ярославський Н. Р., Методика та апаратура довгохвильової інфрачервоної спектроскопії, «Успіхи фізичних наук», 1957, т. 2.

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Вивчення теоретичних засад методів осадження органічних та неорганічних лікарських речовин. Аналіз особливостей взаємодії лікарських речовин із індикаторами у методах осадження. Індикаційні методи визначення кінцевої точки титрування.

курсова робота , доданий 30.01.2014

Імпульсне електромагнітне випромінювання, що виникає під час навантаження композитів. Дослідження методом інфрачервоної спектроскопії процесів полімеризації та кополімеризації в полімерних складах для органічного скла. Залежність вмісту гель-фракції.

короткий виклад , доданий 05.04.2009

Сутність та природа водневого зв'язку. Водневі зв'язки та властивості органічних сполук. Метод інфрачервоної спектроскопії. Інфрачервоне випромінювання та коливання молекул. Аналіз спектральних характеристик розчинів просторово-утруднених фенолів.

курсова робота , доданий 28.04.2010

Розгляд реакцій, заснованих на утворенні комплексних сполук металів та без їх участі. Поняття про функціонально-аналітичну та аналітико-активну групи. Використання органічних сполук як індикаторів титриметричних методів.

курсова робота , доданий 01.04.2010

Магнітопласти як новий клас видів полімерних композиційних матеріалів. Синтез полікапроаміду із капролактаму. Визначення низькомолекулярних сполук, в'язкості, молекулярної маси. Метод інфрачервоної спектроскопії та термогравімітричного аналізу.

звіт з практики, доданий 26.07.2009

Порівняльна характеристика органічних та неорганічних хімічних сполук: класифікація, будова молекулярної кристалічної решітки; наявність та тип хімічного зв'язку між атомами; відносна молекулярна маса, поширення планети.

презентація , доданий 11.05.2014

Одержання та вивчення властивостей розчинів ПАН/ДМФА та ПАН/ДМФА/AgNO3 методом УФ спектроскопії. Контролює структурний градієнт у нановолокна Ag/ПАН за допомогою обробки розчинником. Метод диференціальної скануючої калориметрії. Метод ІЧ спектроскопії.

дипломна робота , доданий 04.06.2017

Поняття рефракції як заходи електронної поляризуемості атомів, молекул, іонів. Оцінка показника заломлення для ідентифікації органічних сполук, мінералів та лікарських речовин, їх хімічних параметрів, кількісного та структурного аналізу.

курсова робота , доданий 05.06.2011

Основні операції під час роботи в лабораторії органічної хімії. Найважливіші фізичні константи. Методи встановлення будови органічних сполук. Основи будови, властивості та ідентифікація органічних сполук. Синтези органічних сполук.

методичка , доданий 24.06.2015

Структура атомних та молекулярних спектрів. Особливості та переваги спектроскопії з перетворенням Фур'є. Протонний магнітний резонанс. Спектроскопія ядерного магнітного резонансу ядер 13С. Ідентифікація органічної сполуки, розшифровка спектрів.

ІНФРАКРАСНА СПЕКТРОСКОПІЯ (ІКС)- Розділ спектроскопії, що охоплює довгохвильову область спектру (> 730 нм за червоною межею видимого світла). Інфрачервоні спектри виникають у результаті коливального (почасти обертального) руху молекул, а саме – в результаті переходів між коливальними рівнями основного електронного стану молекул. ІЧ випромінювання поглинають багато газів, за винятком таких як О2, N2, H2, Cl2 та одноатомних газів. Поглинання відбувається на довжині хвилі, характерної для кожного певного газу, для ЗІ, наприклад, такою є довжина хвилі 4,7 мкм.

По інфрачервоним спектрам поглинання можна встановити будову молекул різних органічних (і неорганічних) речовин з відносно короткими молекулами: антибіотиків, ферментів, алкалоїдів, полімерів, комплексних сполук та ін. жири, вуглеводи, ДНК, РНК та ін.) знаходяться в терагерцовому діапазоні, тому будову цих молекул можна встановити за допомогою радіочастотних спектрометрів терагерцового діапазону. За кількістю та положенням піків в ІЧ спектрах поглинання можна судити про природу речовини (якісний аналіз), а за інтенсивністю смуг поглинання - про кількість речовини (кількісний аналіз). Основні прилади – різного типу інфрачервоні спектрометри. За допомогою ІЧ спектроскопії швидко та надійно ідентифікуються різноманітні функціональні групи: карбонільна, гідроксильна, карбоксильна, амідна, аміно, ціано та ін; а також різні ненасичені фрагменти: подвійні та потрійні вуглець-вуглецеві зв'язки, ароматичні або гетероароматичні системи. Методами ІЧ-спектроскопії вивчають внутрішньо- та міжмолекулярні взаємодії, наприклад, утворення водневих зв'язків. У хімії деревини та хімії природних сполук за допомогою ІЧ-спектроскопії досліджують структури вуглеводів, лігнінів, амінокислот, терпенів, стероїдів та багатьох інших речовин. ІНФРАКРАСНА СПЕКТРОСКОПІЯ (ІК спектроскопія), розділ мол. оптич. спектроскопії, що вивчає спектри поглинання та відображення електромагн. випромінювання в ІЧ області, тобто. в діапазоні довжин хвиль від 10-6 до 10-3 м. У координатах інтенсивність поглиненого випромінювання - довжина хвилі (або хвильове число) ІЧ спектр є складною кривою з великим числом максимумів і мінімумів. Смуги поглинання з'являються в результаті переходів між коливань. рівнями осн. електронного стану системи, що вивчається (див. Коливальні спектри). Спектральні характеристики (положення максимумів смуг, їх напівширина, інтенсивність) індивідуальної молекули залежать від мас атомів, що її складають, геом. будови, особливостей міжатомних сил, розподілу заряду та ін. Тому ІЧ спектри відрізняються великою індивідуальністю, що визначає їх цінність при ідентифікації та вивченні будови сполук. Для реєстрації спектрів використовують класич. спектрофотометри та фур'є-спектрометри. основ. частини класич. спектрофотометра – джерело безперервного теплового випромінювання, монохроматор, неселективний приймач випромінювання. Кювета з в-вом (у будь-якому агрегатному стані) поміщається перед вхідною (іноді за вихідною) щілиною. Як диспергувальний пристрій монохроматора застосовують призми з разл. матеріалів (LiF, NaCl, KCl, CsF та ін.) та дифракції. грати. Послідовне виведення випромінювання разл. довжин хвиль на вихідну щілину та приймач випромінювання (сканування) здійснюється поворотом призми або решітки. Джерела випромінювання - електрич. струмом стрижні з разл. матеріалів. Приймачі: чутливі термопари, металлич. і напівпровідникові термоопори (болометри) і газові термоперетворювачі, нагрівання стінки судини яких брало призводить до нагрівання газу і зміни його тиску, яке фіксується. Вихідний сигнал має вигляд звичайної спектральної кривої. Переваги приладів класич. Схеми: простота конструкції, відносить. дешевизна. Недоліки: неможливість реєстрації слабких сигналів через малого відношення сигнал: шум, що ускладнює роботу в далекій ІЧ області; порівняно невисока роздільна здатність (до 0,1 см-1), тривала (протягом хвилин) реєстрація спектрів. У фур'є-спектрометрах відсутні вхідна та вихідна щілини, а осн. елемент – інтерферометр. Потік випромінювання від джерела ділиться на два промені, які проходять через зразок і інтерферують. Різниця ходу променів варіюється рухомим дзеркалом, що відбиває один з пучків. Початковий сигнал залежить від енергії джерела випромінювання і від поглинання зразка і має вигляд суми великої кількості гармоній. складових. Для отримання спектра у звичайній формі виробляється відповідне фур'є-перетворення за допомогою вбудованої ЕОМ. Переваги фур'є-спектрометра: високе відношення сигнал: шум, можливість роботи в широкому діапазоні довжин хвиль без зміни диспергуючого елемента, швидка (за секунди та частки секунд) реєстрація спектра, висока роздільна здатність (до 0,001 см-1). Недоліки: складність виготовлення та висока вартість. Всі спектрофотометри забезпечуються ЕОМ, які виробляють первинну обробку спектрів: накопичення сигналів, відокремлення їх від шумів, віднімання фону і спектра порівняння (спектра р-рителя), зміна масштабу запису, обчислення експерим. спектральних параметрів, порівняння спектрів із заданими, диференціювання спектрів та ін. Кювети для ІЧ спектрофотометрів виготовляють із прозорих в ІЧ області матеріалів. Як розчинники використовують зазвичай ССl4, СНСl3, тетрахлоретилен, вазелінове масло. Тверді зразки часто подрібнюють, змішують із порошком КВr та пресують таблетки. Для роботи з агресивними рідинами та газами застосовують спец. захисне напилення (Ge, Si) на вікна кювет. Вплив повітря, що заважає, усувають вакуумуванням приладу або продуванням його азотом. У разі слабко поглинаючих в-в (розріджені гази та ін) застосовують багатоходові кювети, в яких брало довжина оптич. шляхи досягає сотень метрів завдяки багаторазовим відбиттям від системи паралельних дзеркал. Велике поширення набув метод матричної ізоляції, при якому досліджуваний газ змішують з аргоном, а потім суміш заморожують. В результаті напівширина смуг поглинання різко зменшується і спектр виходить контрастнішим. Застосування спец. мікроскопіч. Техніка дозволяє працювати з об'єктами дуже малих розмірів (долі мм). Для реєстрації спектрів пов-сти твердих тіл застосовують метод порушеного повного внутрішньо. відображення. Він заснований на поглинанні поверхневим шаром енергії електромагн. випромінювання, що виходить із призми повного внутр. відображення, яка знаходиться в оптич. контакті з досліджуваною пов-стю. Інфрачервону спектроскопію широко застосовують для аналізу сумішей та ідентифікація чистих в-в. Кількості. аналіз заснований на законі Бугера-Ламберта-Бера (див. Абсорбційна спектроскопія), тобто залежно від інтенсивності смуг поглинання від концентрації в-ва в пробі. У цьому про кількість в-ва судять за отд. смугами поглинання, а по спектральним кривим загалом у широкому діапазоні довжин хвиль. Якщо кількість компонентів невелика (4-5), то вдається математично виділити їх спектри навіть за означає. перекривання останніх. Похибка кількостей. аналізу, зазвичай, становить частки відсотка. Ідентифікація чистих в-в проводиться зазвичай з допомогою інформаційно-пошукових систем шляхом автоматич. порівняння аналізованого спектру зі спектрами, що зберігаються у пам'яті ЕОМ. Характерні області поглинання ІЧ випромінювання наиб. найпоширеніших функцій. груп хім. з'єдн. наведено у табл. на форзаці наприкінці тому. Для ідентифікації нових в-в (молекули яких брало можуть містити до 100 атомів) застосовують системи мистецтв. інтелекту. У цих системах на основі спектроструктурних кореляцій генеруються мол. структури, потім будуються їх теоретичні. спектри, які порівнюються з експерим. даними. Дослідження будови молекул та ін об'єктів методами інфрачервоної спектроскопії передбачає отримання відомостей про параметри мол. моделей та математично зводиться до рішення т. зв. обернених спектральних завдань. Рішення таких завдань здійснюється послідовним наближенням параметрів, розрахованих за допомогою спец. теорії спектральних кривих до експериментальних Параметрами мовляв. моделей служать маси складових систему атомів, довжини зв'язків, валентні та торсіонні кути, характеристики потенційної пов-сті (силові постійні та ін), дипольні моменти зв'язків та їх похідні по довжинах зв'язків та ін Інфрачервона спектроскопія дозволяє ідентифікувати просторові та конформаційні внутрішньо-і міжмолекулярні взаємодії, характер хім. зв'язків, розподіл зарядів у молекулах, фазові перетворення, кінетику хім. р-цій, реєструвати короткоживучі (час життя до 10-6 с) частинки, уточнювати окремі геом. параметри, отримувати дані для обчислення термодинаміч. ф-ций та інших. Необхідний етап таких досліджень - інтерпретація спектрів, тобто. встановлення форми нормальних коливань, розподілу коливань. енергії за ступенями свободи, виділення значних параметрів, що визначають положення смуг у спектрах та їх інтенсивності. Розрахунки спектрів молекул, містять до 100 атомів, зокрема. полімерів, що виконуються за допомогою ЕОМ. При цьому необхідно знати характеристики мовляв. моделей (силові постійні, електрооптичні параметри та ін), які знаходять рішенням відповідних зворотних спектральних завдань або квантовохім. розрахунками. І в тому, і в іншому випадку зазвичай вдається отримувати дані для молекул, що містять атоми лише перших чотирьох періодів періодич. системи. Тому інфрачервона спектроскопія як спосіб вивчення будови молекул отримав наиб. поширення в орг. та елементоорг. хімії. У отд. випадках для газів в ІЧ області вдається спостерігати обертають. структуру коливань. смуг. Це дозволяє розраховувати дипольні моменти та геом. параметри молекул, уточнювати силові постійні та ін.