Инфракрасный спектральный анализ. Принцип ИК-спектроскопии

В интервале длин волн от 2,5 до 50 мкм происходит возбуждение колебательных движений атомов в молекуле и вращательного движения молекулы в целом. Спектры, записанные в этой области, которая называется средней ИК-областью, дают информацию о строении молекул исследуемого вещества. Поскольку атомы способны колебаться по-разному, в ИК-спектре обычно имеется большое число полос поглощения. Сравнивая спектр образца со спектрами из библиотеки – либо составленной самим пользователем, либо приобретённой в готовом виде, – можно идентифицировать вещество, причём в настоящее время спектральный поиск ведётся с помощью компьютерных программ.

Атому внутри молекулы находятся в движении благодаря наличию взаимных атомных связей. Они колеблются с определёнными (резонансными) частотами, величина которых определяется атомным весом и силой химической связи. Из-за очень малых размеров молекул резонансная частота составляет 10 миллиардов колебаний в секунду.

Каждая молекула способна выполнять колебания множеством разных способов. Чем больше атомов содержит молекула, тем больше вариантов колебаний существует. Формы колебаний определяются структурой молекулы и являются специфическими для неё. Частота инфракрасного излучения составляет тот же порядок величин, что и молекулярные колебания. Между ИК-излучением и молекулой возможны взаимодействия и перенос энергии, но только тогда, когда частота излучения идентична частоте собственных колебаний молекулы. Если молекула поглощает это излучение, она колеблется при той же частоте, но с большей амплитудой.

Таким образом, когда инфракрасное излучение с широким спектром частот проходит через пробу, то некоторые частоты поглощаются, в то время как прочие пропускаются без поглощения. Поглощённые частоты соответствуют собственным (резонансным) частотам молекулы либо целочисленному кратному этих частот. Нечто похожее происходит с монохромным светом, который поглощается только в том случае, если его частота идентична соответствующей резонансной частоте в молекуле.

Когда молекула поглощает ИК-излучение, количество энергии в ней возрастает, и она начинает колебаться более интенсивно. Но это возбуждённое состояние длится совсем недолго. Очень скоро возбуждённая молекула в результате столкновений вновь отдаёт избыток своей энергии соседним молекулам, что проявляется в повышении температуры пробы.

Правила отбора .

ИК-излучение поглощается только в том случае, если происходит взаимодействие изменяющегося в результате молекулярного колебания дипольного момента молекулы с колеблющимся вектором электромагнитного поля. Простое правило позволяет определить, когда именно наступает это взаимодействие и, следовательно, возникает поглощение: Дипольный момент молекулы в одном экстремуме колебания должен отличаться от дипольного момента в другом экстремуме этого колебания. Таким образом, условием возбуждения молекулы в результате поглощения электромагнитного излучения является то, что при изменении колебательного состояния молекулы одновременно должен изменяться и её дипольный момент. Это означает, что все колебания, при которых изменяется дипольный момент, активны, а все колебания, не вызывающие изменения дипольного момента, неактивны, то есть запрещены. Поскольку симметричные молекулы, такие как H 2 и N 2 , не обладают постоянным дипольным моментом, и этот момент из-за симметрии распределения зарядов не возникает также и при колебании, то у таких молекул колебательное возбуждение невозможно. Поэтому по определению нельзя получить ИК-спектры некоторых классов веществ, среди которых:

Инертные газы;

Соли без ковалентных связей (например, NaCl);

Металлы;

Двухатомные молекулы из одинаковых атомов (например, N 2 , O 2 , Cl 2).

ИК-спектроскопия находит применение, прежде всего, при анализе органических соединений, но и неорганические соединения, включая соли с ковалентными (атомными) связями (например, KMnO 4), также можно проанализировать этим методом.

Прозрачные в ИК-диапазоне соединения тоже имеют определённое значение в инфракрасной спектроскопии. Во-первых, газы типа кислорода, азота или инертные газы служат для продувки спектрометра, так как вода и углекислый газ как составные части воздуха сами поглощают излучение в ИК-диапазоне. Во-вторых, в качестве держателя для пробы требуются прозрачные для ИК-излучения материалы, и как раз для этой цели используются преимущественно щелочные галогениды.

ИК-спектр.

Многоатомная молекула обладает большим числом всевозможных колебаний, в которых принимают участие все её элементы. Некоторые из этих колебаний в первом приближении можно рассматривать как локальные, связанные с одиночными связями либо функциональными группами (локализованные колебания), в то время как другие воспринимаются как колебания всей молекулы в целом. Локализованные колебания могут быть валентными (симметричными и асимметричными) , деформационными (ножничными , маятниковыми , крутильными , веерными ). Метиленовая группа имеет, например, колебания, показанные на рис. 6. Таким образом, для классификации колебаний принято простое разделение их на валентные и деформационные .

1) Валентные колебания осуществляются в направлении связи атомов и приводят к изменению межатомных расстояний.

2) Деформационные колебания изменяют валентный угол, а межатомные расстояния остаются неизменными.

Для изменения длины связи требуется усилие примерно в 10 раз больше, чем для изменения угла между связями, поэтому деформационные колебания всегда находятся в более длинноволновой спектральной области, чем валентные колебания.

Валентные колебания связей атомов водорода поглощают при высоких частотах, что является следствием малой массы водорода. В иных случаях частоты валентных колебаний следуют правилу: тройные связи поглощают при более высоких частотах, чем двойные связи, а двойные – при более высоких частотах, чем простые одиночные связи . Следовательно, чем больше энергия связи между атомами, тем выше частота валентных колебаний. Деформационные колебания возникают при гораздо более низких частотах, обычно в области ниже 1500 см –1 .

Многие локализованные колебания служат для идентификации функциональных групп. Органические молекулы складываются из небольшого числа структурных элементов, каждый раз выступающих в какой-то иной конфигурации, например: >CH 2 , – CH 3 , – COOH, – CH 2 OH, > CO и так далее. Взаимодействия между соответствующим структурным элементом и остальной частью молекулы довольно малы, что позволяет определять структурные элементы по имеющемуся ИК-спектру с привлечением соответствующих табличных данных. По точному положению спектральных полос можно судить о положении структурных элементов относительно друг друга.

Большинство ИК-спектрометров регистрируют спектры в линейной шкале интенсивности пропускания и в линейной шкале волновых чисел (волновое число имеет размерность см –1). Волновое число прямо пропорционально энергии колебания.

Колебания скелета молекулы как целого имеют полосы поглощения с относительно низкой энергией менее 1500 см –1 (с длиной волны больше 6,7 мкм), и их расположение специфично для каждой молекулы. Эти полосы часто перекрываются и затрудняют однозначное отнесение локализованных колебаний.

Инфракрасный спектр состоит из двух областей:

1) выше 1500 см –1 находятся спектральные полосы поглощения, которые могут быть отнесены к функциональным группам;

2) область ниже 1500 см –1 содержит множество спектральных полос, характеризующих молекулу как целое. Этот участок называют областью «отпечатков пальцев». Эта область используется для установления идентичности вещества с эталонным образцом.

На рис. 7 показан пример ИК-спектра органического соединения.

Полный анализ структуры неизвестного вещества только на основе его инфракрасного спектра сделать невозможно. В результате соответствующей расшифровки спектра обычно получают достаточно важную информацию о функциональных группах, что позволяет значительно сократить число возможных в данном случае соединений. Собственно идентификация осуществляется затем путём сравнения полученного спектра со спектрами хорошо известных веществ. Итоги сказанного таковы:

1) Опираясь на известные данные по частотам поглощения отдельных групп атомов, можно идентифицировать их в молекулах по ИК-спектрам.

2) Конкретное положение характеристических полос поглощения локальных фрагментов позволяет сделать определённые выводы о строении остальной части молекулы.

3) Скелетные колебания характеризуют всю молекулу в целом и используются для идентификации вещества при сравнении его спектра со спектром эталона.

Для эмпирической расшифровки инфракрасных спектров многими авторами предлагаются таблицы характеристических частот в различной форме. На рис. 8 приведена таблица, где представлен наиболее известный вариант – так называемая карта Колтупа. Здесь по оси абсцисс отложены волновые числа или, соответственно, длины волн, а по оси ординат расположены отдельные классы веществ. Частоты, характерные для этих веществ, показаны в виде широких горизонтальных линий, рядом с которыми указаны условные обозначения примерной интенсивности полос поглощения (s – сильные, m – средние, w – слабые).

Каждый локальный фрагмент молекулы имеет несколько колебаний разной формы. Это означает, что для данной функциональной группы в спектре будет наблюдаться несколько характеристических полос. При идентификации атомной группировки нельзя полагаться только на одну-единственную характеристическую частоту потому, что при разном расположении атомов отдельные области поглощения могут полностью перекрываться, но все – никогда.

Основное правило гласит: отсутствие характеристической полосы какого-то элемента структуры в заданной для этого области является достаточно надёжным доказательством отсутствия этого элемента. Наличие же соответствующей полосы поглощения только тогда может служить доказательством существования в молекуле определённой группы атомов, когда оно подтверждено и другими частотами, характерными для данной группы .

Курсовая работа

Методы инфракрасной спектроскопии и их техническая реализация

Введение

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

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

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

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

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

Второй этап, начавшийся после формулировки Бором в 1913 г.

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

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

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

1. Происхождение ИК-спектров

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

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

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

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

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

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

1.1 Классическая теория колебательных спектров

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

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

а бв

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

Рисунок 1.Колебания атомов в трехатомной молекуле SO

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

Рисунок 2. Графическое представление вращательного, колебательного, электронного переходов

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

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

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

Рисунок 3. Примеры колебательных спектров

.2 Квантово-механическое представление колебательных спектров

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

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

ĤY= ЕY

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

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

Y= YeYuYr и Ĥ= Ĥе+ Ĥu+ Ĥr,

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

Нас будет интересовать здесь результат решения только колебательно уравнения

ĤuYu= ЕuYu

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

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

И сумму:

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

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

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

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

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

где De и b - постоянные.

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

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

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

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

где Nu - нормировочный множитель; Нuk - полином Эрмита.

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

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

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

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

DE= hn= hc w

где n - частота поглощаемого (или испускаемого) излучения.

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

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

Имея в виду связь момента с его проекциями на оси координат

можно записать также составляющие

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

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

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

должны быть не равна нулю.

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

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

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

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

2. Принципы устройства ИК-спектрометров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Спектроскопия - раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии – для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, т.е. методами спектрометрии.

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

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность получить сведения об относительных положениях молекул в течение очень коротких промежутков времени, а также оценить характер связи между ними, что является принципиально важным при изучении структурно-информационных свойств различных веществ.

В основе этого метода лежит такое физическое явление, как инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

Инфракрасная спектроскопия (ИК спектроскопия), раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в инфракрасной области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м. В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны (волновое число) инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

Ближний ИК-спектр жидкого этанола

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

Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I0 и величинами, характеризующими поглощающее вещество, основана на законе Бугера-Ламберта-Бера, т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

На практике обычно инфракрасный спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты  (или длины волны ) ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента пропускания T () = I ()/I0(); коэффициента поглощения А() = /I0() = 1 - Т(); оптической плотности D() = ln = ()cl, где () - показатель поглощения, с - концентрация поглощающего вещества, l - толщина поглощающего слоя вещества. Поскольку D() пропорциональна () и с, она обычно применяется для количественного анализа по спектрам поглощения.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных и либрационных колебаний молекул.

Для регистрации спектров поверхности твердых тел применяют метод нарушенного полного внутреннего отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем вещества энергии электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, которая находится в оптическом контакте с изучаемой поверхностью. Инфракрасная спектроскопия широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых веществ.

Идентификация чистых веществ производится обычно с помощью информационно-поисковых систем путем автоматического сравнения анализируемого спектра со спектрами, хранящимися в памяти ЭВМ. Для идентификации новых веществ (молекулы которых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусственного интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются молекулярные структуры, затем строятся их теоретические спектры, которые сравниваются с экспериментальными данными. Исследование строения молекул и др. объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах молекулярных моделей и математически сводится к решению обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью специальной теории спектральных кривых к экспериментальным.

Параметрами молекулярных моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной поверхности (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др. Инфракрасная спеткроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику химических реакции, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геометрические параметры, получать данные для вычисления термодинамических функций и др.

Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебательной энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в том числе полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантовохимическими расчетами.

И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодической системы. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геометрические параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.

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

Как известно, при инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках. При этом следует отметить, что в процессе снятия инфракрасного спектра создаются помехи на определенных длинах волн, связанные с поглощением электромагнитного излучения связями растворителей О-Н и С-Н.

Инфракрасный спектр биологического образца представляет собой суммарный спектр, в котором происходит наложение полос поглощения различных функциональных групп органических веществ а также воды. Это явление усложняется в виду взаимодействия отдельных видов колебаний указанных групп, при этом происходит искажение формы полос поглощения и смещение их максимумов. Поэтому на инфракрасных спектрах наблюдается большое число широких полос поглощения с неясными максимумами. Обычно расшифровка инфракрасных спектров биологических образцов весьма затруднительна, поэтому, чтобы облегчить расшифровку суммарного спектра, необходимо разделять биологический образец на более простые компоненты. Это дает возможность получить большее число полос поглощения для исследуемого вещества и более точно определить состав компонентов в образце.

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

Характеристические частоты функциональных

групп в органических соединениях

Однако, если исследуемый объект представляет собой не механические смеси, а является сложным химическим соединением, то указанные особенности инфракрасных спектров не обнаруживаются.

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

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать твердую, жидкую фазы биологической массы. Этот метод позволяет изучать образец в целом, без его расчленения и предварительных химических обработок, а также использовать малые (до 10 мг) навески.

Поглощение органических веществ в различных участках инфракрасного диапазона определяется входящими в состав молекулы химическими группировками, а точнее образующими их связями, поэтому метод позволяет суммарно определить родственные вещества, по характеристическим зонам поглощения.

Инфракрасная спектроскопия широко применяется для анализа биологических жидкостей, в частности крови и ее фрагментов, а в последнее время для диагностики и прогнозирования различных заболеваний все в возрастающей степени используется ротовая жидкость или смешанная слюна, однако интерпретация полученных результатов осложняется в связи с многокомпонентностью объектов исследования.

При инфракрасной спектроскопии крови и слюны возможен количественный анализ только функциональных групп, входящих в основные компоненты в аналитических количествах. Поэтому анализ образцов данных жидкостей вызывает затруднения, т.к. по существу анализируется их водная основа

В медицине инфракрасной спектроскопии в последние годы используют для определения некоторых веществ в биологических жидкостях: крови, моче, слюне, слезной жидкости, желчи, молоке, для идентификации некоторых витаминов, гормонов и других биологически активных веществ.

Кроме того, в последнее время метод находит все более широкое применение для характеристики конформационных и структурных изменений белков, липидов, фосфолипидов биомембран клеток, исследуемых в биоптатах, а также с помощью волоконно-оптических методик.

С помощью этого метода можно оценивать фармокинетику различных лекарственных препаратов. При сахарном диабете выявлены достоверно значимые изменения инфракрасного спектра крови Доказана возможность использования показателей инфракрасного спектра для ранней диагностики стоматологических заболеваний и прогнозирования кариеса зубов у детей. Проведено исследование быстрых изменений показателей инфракрасного спектра крови для прогнозирования, диагностики и определения степени тяжести остеопороза и эффективности его лечения. Доказана возможность использования инфракрасной спектроскопии для изучения процессов регенерации.

Инфракрасная спектроскопия применяется также и в судебном анализе для изучения митохондриального генома при идентификации личности и определении отцовства, т.к. идентифицируется генетический фокус DIS80, содержащий переменные числа тандемных дупликаций.

Для регистрации спектров используют классические спектрофотометры и фурье-спектрометры.

Исследовательский ИК спектрометр Varian Scimitar 1000 FT-IR

Основные части классического спектрофотометра - источник непрерывного теплового излучения, монохроматор, неселективный приемник излучения. Кювета с веществом (в любом агрегатном состоянии) помещается перед входной (иногда за выходной) щелью. В качестве диспергирующего устройства монохроматора применяют призмы из различных материалов (LiF, NaCl, KCl, CsF и др.) и дифракционной решетки. Последовательное выведение излучения различных длин волн на выходную щель и приемник излучения осуществляется сканирование поворотом призмы или решетки. Источники излучения - накаливаемые электрическим током стержни из различных материалов. Приемники: чувствительные термопары, металлические и полупроводниковые термосопротивления (болометры) и газовые термопреобразователи, нагрев стенки сосуда которых приводит к нагреву газа и изменению его давления, которое фиксируется. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой.

Достоинства приборов классической схемы: простота конструкции, относительная дешевизна. Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что сильно затрудняет работу в далекой инфракрасной области; сравнительно невысокая разрешающая способность (до 0,1 см-1), длительная (в течение нескольких минут) регистрация спектров.

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

Блок-схема фурье-спектрометра:

1 – источник излучения; 2 – прерыватель; 3 – светоделитель; 4 – подвижное зеркало;

5 – неподвижное зеркало; 6 – система линз; 7 – кюветное отделение;

8 – детектор; 9 – аналого-цифровой преобразователь; 10 – контроллер;

11 – компьютер; 12 – цифровая печать; 13 – дисковая память.

Первоначальный сигнал зависит от энергии источника излучения и от поглощения образца и имеет вид суммы большого числа гармонических составляющих. Для получения спектра в обычной форме производится соответствующее фурье-преобразование с помощью встроенной ЭВМ.

Наиболее эффективное использование оборудования для инфракрасной Фурье спектроскопии возможно только при соответствующей подготовке пробы, предназначенной для анализа. При работе на инфракрасных Фурье спектрометрах можно использовать как традиционные способы пробоподготовки для инфракрасной спектроскопии, так и некоторые новые приемы, которые обусловлены прежде всего меньшим количеством вещества, достаточным для анализа и возможностью использования дополнительных устройств (приставок).

Достоинства фурье-спектрометра: высокое отношение сигнал: шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая (за секунды и доли секунд) регистрация спектра, высокая разрешающая способность (до 0,001 см-1). Недостатки: сложность изготовления и высокая стоимость.

Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, которые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра растворителя), изменение масштаба записи, вычисление экспериментальных спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и др. Кюветы для инфракрасных спектрофотометров изготовляют из прозрачных в инфракрасной области материалов. В качестве растворителей используют обычно ССl4, СНСl3, тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Твердые образцы часто измельчают, смешивают с порошком КВr и прессуют таблетки. Для работы с агрессивными жидкостями и газами применяют спец. защитные напыления (Ge, Si) на окна кювет. Мешающее влияние воздуха устраняют вакуумированием прибора или продувкой его азотом.

Для случая слабо поглощающих веществ (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в которых длина оптического пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал. Большое распространение получил метод матричной изоляции, при котором исследуемый газ смешивают с аргоном, а затем смесь замораживают. В результате полуширина полос поглощения резко уменьшается, и спектр получается более контрастным. Применение специальной микроскопической техники позволяет работать с объектами очень малых размеров (доли мм).

Подготовку твердых образцов для регистрации их инфракрасных спектров осуществляют двумя способами:

1. Суспензионный метод представляет собой растирание образца до мелкодисперсного состояния (размер частиц 2-7 мкм) и приготовление суспензии в иммерсионной жидкости с близким к образцу показателем преломления. При этом в качестве матрицы обычно используют вазелиновое масло, фторированные или хлорированные масла. Полученная полупрозрачная паста наносится с помощью шпателя на окно из оптического материала в виде тонкой равномерной пленки.

Наиболее часто в экспертной практике в качестве иммерсионной жидкости используется вазелиновое масло. Однако, спектр вазелинового масла имеет полосы поглощения в областях 2900, 1460, 1380 и 725 см-1. Эти полосы накладываются на полосы поглощения образца, компенсировать их можно либо с помощью кюветы сравнения, либо путем вычитания спектра вазелинового масла из суммарного спектра. На практике перфторуглеводородное масло используют при исследовании веществ в области 4000-1500 см-1 (не поглощает фторированное масло), а вазелиновое масло – для исследования в области 1500-400 см-1 (мало поглощает вазелиновое масло).

2. Прессование таблеток с галогенидами щелочных металлов – основной и наиболее универсальный способ пробоподготовки. Он заключается в тщательном перемешивании в агатовой ступке тонкоизмельченного образца с порошком KBr и последующем прессовании смеси в пресс - форме, в результате чего получается прозрачная или полупрозрачная таблетка. Для получения качественных спектров степень диспергирования вещества должна достигать размера частиц 2-7 мкм (сопоставимо с длиной волны инфракрасного излучения).

Иногда для облегчения растирания добавляют несколько капель перегнанного растворителя (четыреххлористого углерода или гексана), который испаряется при последующем растирании. Наилучшие результаты получаются при вакуумировании пресс - формы, что позволяет избавиться от включений воздуха в таблетки. Для таблеток можно использовать бромид калия для спектроскопии или квалификации не ниже химически чистого, но предварительно высушенный от воды. Сушку бромида калия следует проводить при t ≈ 600оС в течение не менее 6 часов и хранить его в эксикаторе с осушителем. Проводить такую тщательную подготовку необходимо, так как в противном случае получаемый спектр будет иметь широкие полосы адсорбированной воды в областях 3450 и 1630 см-1.

С таблеток диаметром 3, 5, 7 мм и более можно регистрировать спектр без дополнительных устройств. Таблетки диаметром 1 и 2 мм необходимо исследовать с использованием микрофокусировочного устройства. Если пресс – форма не позволяет получать таблетки диаметром 1-3 мм, то можно использовать специально изготовленный, например, из картона, круглый вкладыш с вырезанным в центре отверстием соответствующего диаметра. Таблетки диаметром 1-3 мм используют при исследовании микроколичеств (до 10-9 г) вещества.

Метод прессования таблеток с KBr целесообразно использовать для образцов, которые нерастворимы в обычных растворителях, аморфны или имеют устойчивую кристаллическую структуру и не содержат ионов, способных к обмену.

Известно, что ядра молекул вдали от фиксированных положений по отношению друг к другу находятся в непрерывном колебательном состоянии. Важная особенность этих колебаний в том, что они могут быть описаны ограниченным числом основных колебаний (нормальные моды). Нормальной модой называется колебание, при котором ядра осциллируют с одинаковой частотой и в одной фазе. Молекулы воды имеют три нормальные моды.

ν1 (ОН) ν 2 (ОН) ν3 (ОН)

3656,65см-1 1594,59 см-1 3755,79 см-1

Основные частоты колебания молекул воды

Движения ядер при колебаниях ν1 (ОН) и ν3 (ОН) происходят почти вдоль направления связей О-Н, эти моды обычно называют колебаниями растяжения связи (или δОН) или валентными колебаниями связи О-Н. При колебаниях ν2 (ОН) ядра Н движутся в направлении почти перпендикулярных связям О-Н, мода ν2 называется деформационным колебанием связи Н – О – Н или колебанием изгиба водородной связи. Мода ν3 называется ассиметричным валентным колебанием в отличие от симметричного валентного колебания ν1.

Переход молекулы воды из ее основного колебательного состояния в возбужденное описываемое с помощью моды ν2 соответствует инфракрасной полосе 1594,59 см-1.

Несмотря на то, что по исследованию инфракрасных спектров воды имеется большое количество публикаций, сведения о частотах колебаний и их отнесении не только не совпадают, но бывают и противоречивы. В спектре жидкой воды полосы поглощения значительно уширены и смещены относительно соответствующих полос в спектре водяного пара. Их положение зависит от температуры. Температурная зависимость отдельных полос спектра жидкой воды является весьма сложной. Кроме того, усложнение спектра в области валентных ОН-колебаний можно объяснить существованием различных типов ассоциаций, проявлением обертонов и составных частот ОН-групп, находящихся в водородной связи, а также туннельным эффектом протона (по эстафетному механизму). Такое усложнение спектра затрудняет его интерпретацию и отчасти объясняет имеющееся в литературе противоречие на этот счет.

Гидроксильная группа -ОН способна сильно поглощать спектр в инфракрасной области спектра. Вследствие свой полярности эти группы обычно взаимодействуют друг с другом или с другими полярными группами, образуя внутримолекулярные и межмолекулярные водородные связи. Гидроксильные группы, не участвующие в образовании водородных связей обычно дают в спектре узкие полосы, а связанные группы – интенсивные широкие полосы поглощения при более низких частотах. Величина сдвига частот определяется прочность водородной связи. В литературе имеются данные об отнесении полос поглощения в области основных частот (2,5 – 6,0 мкм (4000-1600см-1)), а также ближней (0,7-2,0 мкм (14300-5000см-1)) и дальней (20 –16 мкм (50-625 см-1)).

Наиболее изучена область основных частот. Для мономерной воды полосы 3725 и 3627 см-1 отнесены к симметричному и антисимметричному колебаниям ОН-группы, а полосы 1600 см-1 – к деформационному колебанию Н-О-Н . Следует отметить, что димеры воды могут иметь скорее циклическую структуру с двумя водородными связями (1), чем открытую (2).

\ О – Н Н H

Н – О / O . . . H – O

Структура димеров воды: 1 – циклическая; 2 – открытая

Для жидкой воды наблюдаются полосы поглощения и в других областях спектра. Наиболее интенсивные из них 2100, 710-645 см-1. При переходе от мономеров воды к димерам и тримерам максимум поглощения валентных колебаний связи О-Н сдвигается в сторону меньших частот. Напротив, для деформационных колебаний Н-О-Н наблюдается смещение в сторону более высоких частот. Полосы поглощения 3546 и 3691 см-1 были отнесены к валентным модам димеров (Н2О)2. Эти частоты значительно ниже, чем валентные моду ν1 и ν3 изолированных молекул воды (3657 и 3756 см-1 соответственно). Полоса 3250см-1 представляет собой обертоны деформационных колебаний. Между частотами 3250 и 3420 см-1 возможен Ферми-резонанс (этот резонанс представляет собой заем интенсивности одного колебания у другого при их случайном перекрывании).

Отнесение частот в спектре жидкой воды

Полоса поглощения при 1620см-1 отнесена к деформационной моде димера. Эта частота несколько выше, чем деформационная мода изолированной молекулы (1596 см-1). Сдвиг полосы деформационного колебания воды в сторону высоких частот при переходе от жидкого состояния к твердому приписывают появлению дополнительной силы, которая препятствует изгибу О-Н связи. Деформационная полоса поглощения имеет частоту 1645см-1 и очень слабо зависит от температуры. Она мало изменяется и при переходе к свободной молекуле при частоте 1595см-1. Эта частота мало изменяется и в растворах солей. Она оказывается достаточно стабильной, в то время как изменение температуры, растворение солей, фазовые переходы существенно влияют на все остальные частоты. Цундель (1971) предполагает, что постоянство деформационных колебаний связано с процессами межмолекулярного взаимодействия, а именно обусловлена изменением валентного угла молекулы воды в результате взаимодействия молекул друг с другом, а также с катионами и анионами.

Инфракрасные спектры поглощения воды

в области основных частот.

Трудности использования инфракрасной спектроскопии на практике являются не только техническими, но связаны также с отсутствием методики, позволяющей применить математический анализ при определении частот колебаний и отнесении их к той или иной химической связи.

На основе результатов инфракрасной спектроскопии можно разработать химически надежный, воспроизводимый, допускающий стандартизацию метод анализа водных систем. В этом отношении определенные преимущества представляет инфракрасная спектроскопия низкого разрешения, которая позволяет по флуктуации коэффициентов пропускания определить степень влияния, присутствующих в исследуемой системе веществ на структурную организацию водной основы растворов и биологических жидкостей.

Улучшение технико-экономических показателей дизелей является одной из основных проблем для судовладельцев. В процессе эксплуатации в смазочный материал попадают наряду с сажей, возникающей в результате сгорания, продукты окисления и деструкции масла, а также частицы износа двигателя. Повышение надежности механизмов и рациональное использование смазочных материалов зависит от ряда причин, среди которых большое значение приобретает качество используемых масел. В настоящее время большое значение приобретает использование современных инструментальных методов анализа.

Содержание механических примесей в большинстве случаев определяется стандартными методами, основанными на центрифугировании или фильтрации растворов рабочих масел в легких углеводородных растворителях, а также методами бумажной хроматографии и фотометрии в видимой области. Однако, каждый из выше указанных методов имеет свои недостатки. Например, если масло содержит хорошие диспергирующие присадки, большое количество сажистых загрязнений остается после центрифугирования в фугате; при использовании метода фильтрования на фильтре осаждается присадочный компонент, вследствие этого можно получить только представление о степени дисперсности нерастворимых загрязнений; фотометрия в видимой области спектра требует, как правило, разбавления исследуемой пробы, что приводит к возрастанию временных затрат и чревато ошибками. Метод электронной спектроскопии позволяет определить количество и размер частиц, однако, не подходит в силу технической сложности и длительности анализа. В связи с вышеуказанным фотометрический метод в инфракрасной области имеет ряд существенных преимуществ: экспрессность, хорошая воспроизводимость и сравнимость, отсутствие необходимости предварительной подготовки пробы для анализа и ограничений сортами и качеством смазочных масел.

Снимаются дифференциальные инфракрасные спектры с использованием кювет из бромистого калия с толщиной слоя 0,1 мм. Так как эксплуатационные масла, как правило, сильно загрязнены сажистыми отложениями, в целом весь инфракрасный спектр рабочего масла располагается выше, чем инфракрасный спектр свежего масла, причем это "поднятие" спектра пропорционально загрязнению рабочего масла. Для анализа применяются области длин волн, в которых влияние полос поглощения масла минимально. Наиболее удобно использовать волновое число 2000 см-1. Сравнение изменения поглощения на волновом числе 1704 см-1, определенного по методу базовой линии и вычитанием фона на волновом числе 2000 см-1 показало, что такое вычитание "фона" вполне правомерно и не искажает динамику накопления продуктов окисления в масле.

Изменение поглощения на волновом числе 1704 см-1,

определенное методом "базовой линии" и вычитанием "фона"

Аналогичные результаты были получены при оценке состояния сульфонатных присадок в масле. Это позволяет делать выводы о возможности определения содержания механических примесей в масле по поглощению на волновом числе 2000 см-1. Так как невозможно сравнивать абсолютные значения поглощения полос в инфракрасных спектрах рабочих масел (масла содержат различное количество механических примесей), для сравнения величин абсорбции из них вычитали "фон" (значение абсорбции на волновом числе 2000 см-1). Параллельно содержание механических примесей определялось с использованием стандартных методик (ГОСТ 6370 и метод "капельной пробы"). Содержание механических примесей С (масс. %) в масле определялось по формуле:

 - длина волны, мкм; l - толщина рабочего слоя кюветы, мкм (измерялась интерферометрически); А - абсорбция масла при длине волны .

Сравнение результатов, полученных данной методикой и с использованием метода центрифугирования показало хорошую воспроизводимость (коэффициент корреляции составил 0, 881). Время проведения одного анализа составляет около 15 минут.

Таким образом, использование метода инфракрасной спектроскопии для определения содержания общего загрязнения моторного масла является эффективным и позволяет быстро получить общую оценку загрязненности рабочего масла сажей, продуктами износа деталей двигателя и окисления углеводородной основы масла.

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

Быстродействующие спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды и используются при изучении быстропротекающих химических реакций. С помощью специальных зеркальных микроприставок можно получать спектры поглощения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии.

Инфракрасная спектроскопия играет большую роль в создании и изучении молекулярных оптических квантовых генераторов, излучение которых лежит в инфракрасной области спектра. Методами инфракрасной спектроскопии наиболее широко исследуются ближняя и средняя области инфракрасного спектра, для чего изготовляется большое число разнообразных (главным образом двухлучевых) спектрометров.

Далёкая инфракрасная область освоена несколько меньше, но исследование инфракрасных спектров в этой области также представляет большой интерес, так как в ней, кроме чисто вращательных спектров молекул, расположены спектры частот колебаний кристаллических решёток полупроводников, межмолекулярных колебаний и др.

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

Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М. 1987.

Карякин А.В. Кривенцова Г.А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях. М. 1973.

Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. Киев. 1991.

Привалов П.Л. Вода и ее роль в биологических системах.// Биофизика 1968. т.13. №1.

Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. М. 1976.

Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия: Пер. с англ. М. 1980.

Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. : Пер. с англ. Л. 1975.

Рахманин Ю.А., Кондратов В.К. Вода - космическое явление. Кооперативные свойства, биологическая активность. М. 2002.

Вербалович В.П. Инфракрасная спектроскопия биологических мембран. Наука. Казахская ССР. Алма-Ата.1977.

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

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

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

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