ИК-спектроскопия

К инфракрасному относят электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 800 нм (0,8 мкм) до 10⁶ нм (10³ мкм). С точки зрения использования в анализе, наиболее полезной является средняя область ИК-спектра, т.е. диапазон длин волн 4000-200 см^-1 (2500-50000 нм). Если молекула поглощает ИК-излучение, то она переходит из одного колебательного состояния в другое. При обычной температуре химические связи в молекуле не являются жёсткими, а, в результате взаимодействия молекулы с другими молекулами, испытывают постоянные колебания. Представим себе молекулу, состоящую из двух атомов, соединённых одинарной связью, как систему, состоящую из двух сфер, соединённых пружиной, не имеющей массы. В такой системе могут происходить два вида колебаний: валентные, при которых происходит изменение длины связи и деформационные, которые сопровождаются изгибом связи. Молекула, состоящая из n -атомов, теоретически может претерпевать 3n-6 видов колебаний (линейная молекула 3n-5), из которых n-1 являются валентными, а 2n-5 - деформационными. Частота колебаний связи зависит от вида колебания, массы атомов (участвующих в образовании связи) и прочности связи. Валентные колебания имеют большую частоту колебаний, чем деформационные колебания тех же связей. В идеальном случае частота валентного колебания описывается уравнением вида:

здесь:

где - силовая постоянная, характеризующая прочность связи; - приведенная масса атомов, участвующих в образовании химической связи. Таким образом, частота колебания возрастает при повышении прочности связи и уменьшении приведенной массы. ИК-излучение способно влиять только на такие колебания, которые приводят к изменению дипольного момента молекулы. Если частота колебаний образующегося диполя и ИК-излучения, попадающего на него, близки, то взаимодействие между ними может усиливать амплитуду колебаний. Энергия, необходимая для увеличения амплитуды колебаний диполя, поглощается в виде кванта из проходящего потока ИК-излучения. Колебания, приводящие к изменению дипольного момента молекулы и способные приводить к появлению полосы поглощения в ИК-спектре, называют активными в ИК-спектре. Если дипольный момент молекулы в процессе колебания не изменяется, то поглощения ИК-излучения не происходит. По этой причине такие вещества, как O₂ или N₂ не поглощают ИК-излучения. ИК-спектр поглощения представляет собой зависимость степени поглощения электромагнитного излучения от его волновой характеристики. Область ИК-спектра от 4000 до 1350 см^-1 называется областью функциональных групп. Отсутствие полос поглощения в данной области, связанных с какой-либо функциональной группой, может служить доказательством отсутствия данной группы в молекуле. Условно область функциональных групп можно разделить на следующие несколько областей:

1. Область валентных колебаний групп:

Функциональная группа	Значение , см-1
	3650-2500

2. Область валентных колебаний групп:

Функциональная группа	Значение , см-1
	3000-2800

3. Область «прозрачности» - валентные колебания групп:

Функциональная группа	Значение , см-1
	2700-1850

4. Область двойной связи - валентные колебания связей:

Функциональная группа	Значение , см-1
	1950-1350

при этом для первой из перечисленных выше функциональных групп достаточно сильное поглощение происходит в диапазоне 1850-1650 см^-1, для последней функциональной группы наблюдается довольно слабое поглощение около 1650 см^-1. Так, из ИК-спектра циклогексана хорошо видно, что две наиболее интенсивные полосы поглощения в нём принадлежат валентным колебаниям связи С-Н (3100-2990 см^-1) и деформационным колебаниям этих связей (1450 см^-1). Полосы поглощения, соответствующие валентным (1200-800 см^-1) и деформационным колебаниям (менее 500 см^-1) связей С-С, значительно менее информативны. Как того и следовало ожидать, в спектре нет полос поглощения, соответствующих, например, валентным колебаниям связей O-H, N-H, C=O, C=C. Область ИК-спектра от 1350 до 750 см^-1 называется областью «отпечатков пальцев». Поглощение в этой области может иметь сложный вид, причём отдельные полосы очень трудно отнести к определённому колебанию. Каждое вещество (в том числе и стереоизомеры) имеет в области «отпечатков пальцев» свій индивидуальный характер колебаний.

Рис. 25. ИК-спектр циклогексана.

Для измерения аналитического сигнала в ИК-спектроскопии используют ИК-спектрометры. При этом последние в свою очередь делятся на два типа: диспергирующие и недиспергирующие. К диспергирующим приборам относятся,инапример, сканирующие ИК-спектрометры, а к недиспергирующим - ИК-спектрометры с Фурье-преобразованием. В ИК-спектрометрах применяется двухлучевая схема: поток ИК-излучения расщепляется с помощью специального зеркала на два одинаковых потока, один из которых проходит через рабочую кювету, а второй является потоком сравнения. В ИК-спектрометрах монохроматор, для того чтобы уменьшить рассеяние ИК-излучения, расположен не перед кюветой, а после неё. Потоки излучения с помощью вращательного сегментарного зеркала (прерывателя, модулятора) попеременно направляются то на рабочую кювету, то на кювету сравнения. В качестве источников ИК-излучения используют либо штифт Нернста, либо глобар - небольшой стержень выполненный из SiC. Штифт Нернста и глобар нагреваются электрическим током до температуры 1500 ⁰С. ИК-спектрометр, вне зависимости от его типа снабжён кюветами, которые представляют собой две пластинки (два окна), изготовленные из NaCl, AgCl, KBr, LiF и других материалов прозрачных в ИК-области. Пластинки закрепляются в металлическом держателе. Ширина кюветы регулируется с помощью тефлоновой прокладки или микрометрического винта. Исследуемую жидкую пробу вводят в пространство между пластинками с помощью шприца. Исследуемыми объектами в ИК-спектроскопии могут быть газы, жидкости или твёрдые вещества. Спектры газов или жидкостей можно получить при введении образца в вакуумированную кювету. Жидкости (без растворителя) помещают в виде тонкой плёнки (0,01 мм или меньше) между двумя солевыми пластинками без прокладки. Растворы помещают в кюветы толщиной 0,1-1,0 мм. Наиболее часто используемыми растворителями являются CCl₄, CHCl₃, CS₂ и др. Воду и некоторые низкомолекулярные спирты нельзя применять в качестве растворителя при использовании кювет из NaCl и других водорастворимых материалов. При исследовании твёрдых веществ обычно получают их суспензии или пасты в различных иммерсионных средах (вазелиновое масло, нуйол, перфторалканы и др.) либо смешивают твёрдое вещество с KBr и прессуют полученную смесь в тонкую прозрачную таблетку, которую помещают прямо в кюветное отделение. Монохроматором в диспергирующем ИК-спектрометре служит дифракционная решётка или призма. Материалом для их изготовления является NaCl, KBr и другие вещества, прозрачные в ИК-области. Принцип детектирования ИК-излучения заключается в измерении изменения температуры зачернённого материала, расположенного на пути потока. ИК-спектроскопия используется преимущественно для установления строения и идентификации органических (реже неорганических) соединений, в том числе и лекарственных веществ. В плане качественного анализа ИК-спектры являются значительно более информативными, чем спектры поглощения в УФ- или видимой области. Большинство функциональных групп не обладают собственным поглощением в УФ- и видимой области, тогда как в ИК-спектрах они имеют собственные полосы поглощения. Кроме того, в УФ-спектре отдельные полосы поглощения часто сливаются друг с другом, что затрудняет его интерпретацию. Обнаружение и идентификация веществ методом ИК-спектроскопии может проводиться следующим образом: обнаружение отдельных функциональных групп по характеристическим полосам поглощения, сравнение ИК-спектров исследуемого соединения и стандартного образца, идентификация неизвестного соединения с помощью атласа или компьютерной библиотеки ИК-спектров. В количественном анализе ИК-спектроскопия используется значительно реже, чем спектроскопия в УФ- и видимой области. Это связано с тем, что чувствительность данного метода анализа существенно ниже, а воспроизводимость хуже. Количественный анализ, как и в других абсорбционных спектроскопических методах, основан на законе Бугер-Ламберта-Бера. Концентрацию вещества в ИК-спектроскопии определяют методом градуировочного графика.