В ряде случаев можно выделить такие колебания, при которых изменяются преимущественно длины связей или углы между связями. Тогда первое колебание называют валентным, а второе - деформационным (рис. 3) [7].
Рис. 3. Валентные и деформационные колебания метиленовой группы [7]
Типичный ИК-спектр, такой, как спектр н-гексана CH3(CH2)4CH3 (рис. 4), проявляется в виде серии полос поглощения различной формы и интенсивности [7]. Почти все органические соединения обнаруживают пик или группу пиков близ 3000 см-1. Поглощение в этой области обусловлено валентными колебаниями С-Н. Поглощение в области 1460, 1380 и 725 см-1 обусловлено различными деформационными колебаниями С-Н-связей.
рис. 4. ИК-спектр н-гексана [7]
Для иллюстрации влияния строения молекулы на ИК-спектр сравним спектры н-гексана и гексена-1 (рис. 5) [7]. Они весьма отличаются один от другого.
рис. 5 ИК-спектр гексена-1 [7]
Карбонильная группа принадлежит к наиболее легко различимым структурным фрагментам молекул, обнаруживаемым методом ИК-cпектроскопии. Валентные колебания двойной связи C=O проявляются интенсивным сигналом в интервале 1800-1650 см-1. Этот пик ярко выражен в спектре гексанона-2, приведенном на рис. 6.
рис. 6. ИК-спектр гексанона-2 СН3(CH2)3С(О)СН3 [7]
Положение карбонильной полосы поглощения в спектре зависит от природы заместителей при карбонильной группе C=O. Характеристические частоты, свойственные альдегидам и кетонам, амидам, сложным эфирам и т. д., приведены в таблице.
Ароматическое кольцо проявляется в ИК-спектре умеренным пиком валентных колебаний С-Н в районе 3030см-1. Другая характерная особенность - валентные колебания ароматических углерод-углеродных связей наблюдаются обычно при 1600 и 1475 см-1. Наконец, ароматическое кольцо обнаруживает интенсивное поглощение в диапазоне 800-690 см-1, обусловленное деформационными колебаниями С-Н. Все эти особенности ароматического кольца наблюдаются в ИК-спектре толуола.
рис. 7. ИК-спектр толуола [7]
Чем более сложно устроено вещество, тем разнообразнее и сложнее устроен его ИК-спектр. В качестве примера приведём спектр изовиолантрона и продукта его восстановления - изовиолантрена [8]:
Рис. 8. ИК спектры изовиолантрона и продукта его восстановления - изовиолантрена [8]
3. Аппаратура, используемая в методе
Для получения ИК-спектров пользуются ИК-спектрометрами.
Спектрометры, предназначенные для измерения поглощения электромагнитного излучения образцом, содержат источник излучения, кювету с веществом, через которую пропускают излучение, и детектор. Частоту излучения непрерывно меняют, а интенсивность света, попадающего на детектор, сравнивают с интенсивностью источника. Когда частота падающего света достигает определенного значения, происходит поглощение излучения веществом. Детектор отмечает снижение интенсивности прошедшего через образец (кювету) света. Зависимость между частотой света и поглощением, записанная на бумаге в виде линии, называется спектром.
Благодаря успехам в развитии спектрального приборостроения, в настоящее время имеются приборы различных конструкций, которые охватывают весь диапазон инфракрасного излучения [8].
При исследовании органических соединений обычно используют поглощение ИК-излучения в области l=2-50 мкм, что соответствует волновым числам n=5000-200 cм-1.
По принципу получения спектра приборы для ИК-области можно разделить на две основные группы: диспергирующие и недиспергирующие [9].
В качестве диспергирующего устройства используются призмы из материала с соответствующей ИК-диапазону дисперсией и дифракционные решетки. Обычно для средней ИК-области (400-5000 см-1) применяют призмы из монокристаллов KBr, NaCl и LiF. В настоящее время призмы находят незначительное применение и практически вытеснены дифракционными решетками, дающими большой выигрыш в энергии излучения и высокое разрешение. Но, несмотря на высокое качество этих приборов, они все больше заменяются на фурье-спектрометры, относящиеся к группе недиспергирующих приборов.
Термин "ИК-Фурье спектроскопия" возник с появлением нового поколения приборов, в основе оптической схемы которых используются различного типа интерферометры. ИК-Фурье спектроскопия представляет собой один из вариантов метода ИК - спектроскопии и по существу не является отдельным спектральным методом. Спектры веществ, полученные на ИК-Фурье спектрометрах, не отличаются от спектров, полученных на диспергирующих ИК-спектрометрах [3].
В основе действия Фурье-спектрометров лежит явление интерференции электромагнитного излучения. Для изготовления этих приборов используют интерферометры нескольких типов. Наибольшее распространение получил интерферометр Майкельсона (принципиальная схема изображена на рис. 9).
Рис. 9. Принципиальная оптическая схема интерферометра Майкельсона [9]
Поток ИК-излучения от источника 1, модулированный прерывателем 2, делится светоделителем 4 на два пучка. Один из них направляется на зеркало 3, которое связано микрометрической передачей с двигателем и может поступательно перемещаться с определенной длиной пробега и возвращаться в исходное положение. Отраженный от этого зеркала пучок интерферирует, имея заданную зеркалом 3 разность хода, с пучком, отраженным от закрепленного зеркала 5. Дальше излучение фокусируется линзами 6 на приемнике 8, проходя через исследуемый образец, помещенный в кюветное отделение 7. При движении зеркала 3 и интерференции пучков с изменяющейся разностью хода происходит сканирование в определенном спектральном диапазоне.
В результате интерференции получается сложная интерференционная картина, являющаяся наложением интерферограмм, которые отвечают определенной разности хода и длине волны излучения. Объединенный световой поток проходит через образец и попадает на приемник излучения. Усиленный сигнал поступает на вход компьютера, который осуществляет Фурье-преобразование интерферограммы и получение спектра поглощения исследуемого образца.
4. Методика проведения анализа с полученными спектрами образцов
4.1 Качественный анализ
Для проведения качественного анализа проб по инфракрасным спектрам необходимо провести интерпретацию инфракрасного спектра. При этом необходимо сочетание экспериментальных данных с теоретическим расчетом. Изучение инфракрасных спектров веществ в настоящее время проводится двумя методами: выявлением характеристических частот и сравнением спектров сложных веществ со спектрами индивидуальных соединений.
Метод характеристических частот. Молекулы, имеющие одни и те же химические группы, часто имеют одинаковые частоты в спектре. Эти частоты называют характеристическими.
Расшифровка инфракрасного спектра производится следующим образом: идентификацию полос поглощения начинают с наиболее сильных и высокочастотных полос в области валентных колебаний различных химических связей. По таблицам характеристических частот полосу поглощения относят к колебанию конкретной связи. Наличие той или иной связи подтверждают деформационной полосой поглощения, относящейся к данной связи.
Метод сравнения. Идентификация неизвестного соединения по инфракрасному спектру осуществляется сравнением его спектра с эталонными спектрами. Для этого необходима обширная картотека эталонных спектров; при этом важнейшим фактором является стандартность условий их регистрации. В настоящее время имеются многочисленные атласы органических и неорганических соединений.
Идентификация веществ по инфракрасному спектру является полностью достоверной только при точном совпадении изучаемого спектра со спектром эталона по положению (частоте), форме и относительной интенсивности всех полос, то есть всей спектральной кривой.
4.2 Количественный анализ
Для проведения количественного анализа на любую атомную группировку, благодаря своей высокой точности, чувствительности, быстроте, малому количеству требующегося вещества и возможности проведения измерений в потоке, метод инфракрасной спектроскопии оказывается очень удобным. В основе всех количественных измерений, проводимых по спектрам поглощения, лежит закон Бугера-Ламберта-Бера (1).
Если известны толщина образца и молярное поглощение исследуемой группировки на какой-либо частоте, то, рассчитав на этой же частоте оптическую плотность анализируемого образца, мы легко найдем концентрацию этой группировки, по градировочному графику.
Точность определения концентрации любых функциональных групп таким способом будет зависеть от точности измерения следующих величин. Во-первых, это интенсивность световых потоков падающего - I0 и прошедшего - I через анализируемый образец. Во-вторых, молярное поглощение искомой атомной группировки на той частоте, на которой проводится анализ. Эта величина всегда вычисляется из оптических плотностей эталонных образцов с известной концентрацией искомых группировок и поэтому тоже определяется точностью измерения световых потоков или, иначе, коэффициента пропускания образца.
Таким образом, любые количественные измерения тех или иных функциональных группировок, проводимые по их полосам поглощения, всегда сводятся к измерению пропускания образца, поэтому точность спектральных количественных измерений оказывается непосредственно связанной с точностью регистрации пропускания образца на определенной заданной частоте. Эффект рассеивания на неровностях поверхности образца и отражение на окнах кюветы могут оказаться достаточно значительными, вследствие чего при количественных измерениях их следует учитывать.
Для нахождения оптической плотности образца, которая обусловлена присутствием в нем определяемых группировок, берется некоторая так называемая базовая линия, которая плавно соединяет области наибольшей прозрачности, находящиеся в непосредственной близости от измеряемой полосы поглощения, и производится отсчет I0 и I.
Существует несколько методов определения содержания одного компонента в среде постоянного состава. Наиболее распространенным является метод градуировочной кривой. Он заключается в построении графика зависимости оптической плотности образца заданной толщины от концентрации в нем анализируемых центров поглощения. Этот график строится на основании измерений спектров поглощения эталонных смесей известного состава и поэтому автоматически учитывает все отступления закона Бугера - Ламберта - Бера, которые имеют место при анализе сильно ассоциирующих веществ.
Другим, тоже часто используемым методом количественного анализа, является метод внутренних стандартов. Он заключается в сопоставлении оптических плотностей образца на двух частотах, на первой из которых поглощение обусловлено анализируемыми атомными группировками, а на другой - средой, состав которой остается постоянным. Этот метод менее удобен тем, что требует близкого расположения аналитической полосы и полосы сравнения, а также малого отличия в их интенсивностях.
3. Перспективы развития метода
Метод ИК-спектроскопии, как уже было указано, является популярным и доступным методом для анализа подлинности, чистоты и количественного определения веществ. Об этом свидетельствуют множество публикаций по результатам экспериментов исследований в научных журналах.
Методом ИК-спектроскопии пользуются для определения качества в твёрдых формах: таблетках и порошках [11-17], различных жидких лекарственных формах [18,19]. Метод ИК-спектроскопии позволяет анализировать образцы на предмет чистоты, что широко применяется в медицине, например, при анализе крови человека. Можно определить наличие тех или иных веществ и даже поставить диагноз [20]. Работы ведутся как в направлении совершенствования техники и методов расчёта [21], так и в совершенствовании и расширении лекарственных препаратов, которые можно определять методом ИК-спектроскопии [22, 23].
В целом, можно сделать вывод о том, что метод ИК-спектроскопии, несмотря на исторически раннее появление, продолжает использоваться в анализе лекарственных форм и развивается параллельно с развитием технологий.
Заключение
Принцип спектроскопии основан на поглощении энергии электромагнитного излучения молекулами вещества.
ИК-спектроскопия - это разновидность спектрофотометрических методов анализа. Метод основан на анализе ИК-спектров веществ, получаемых при поглощении веществами монохроматического электромагнитного излучения определённой частоты.
В методе ИК-спектроскопии наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. При этом выборочно поглощается энергия на тех частотах, которые совпадают с частотами колебаний атомов в молекулах вещества, с частотами вращения молекулы или с частотами колебаний кристаллической решетки. Каждое вещество имеет свой колебательный спектр. Число полос поглощения в спектре, ширина, форма, интенсивность определяются структурой и химическим составом вещества. Это дает возможность по ИК-спектрам проводить качественный и количественный анализы вещества во всех агрегатных состояниях.
Основными преимуществами ИК-спектроскопии является высокая специфичность, объективность полученных результатов, возможность анализа веществ в кристаллическом состоянии.
Метод удобен в использовании и нагляден (использование спектрограмм).
Метод позволяет проводить качественный (метод сравнения, характеристических частот) и количественный анализ (метод внутренних стандартов).