Реферати українською » Математика » Інфрачервона спектроскопія


Реферат Інфрачервона спектроскопія

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Запровадження

>Спектроскопия — розділ фізики та аналітичної хімії, присвячені вивченню спектрів взаємодії випромінювання (зокрема, електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль та інших.) з речовиною. У фізиці спектроскопічні методи йдуть на вивчення різноманітних властивостей цих взаємодій. У аналітичної хімії – щоб виявити та засобами визначення речовин з допомогою виміру їх характеристичних спектрів, тобто. методами спектрометрії.

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

Метод інфрачервоної спектроскопії дає нагоду отримати відомостей про відносних положеннях молекул протягом дуже коротких проміжків часу, і навіть оцінити характер зв'язок між ними, що принципово важливим щодоструктурно-информационних властивостей різних речовин.

У підставі цього методу лежить таке фізичне явище, як інфрачервоне випромінювання.Инфракрасное випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, бо всі тіла,твердие і рідкі, нагріті до певній температури, випромінюють енергію в інфрачервоному спектрі. У цьому довжини хвиль, випромінювані тілом, залежить від температури нагрівання: що стоїть температура, тим коротше довжина хвилі і від інтенсивність випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при щодо невисоких (за кілька тисячКельвинов) температурах лежать у основному саме тут діапазоні.

Сутність методу інфрачервоної спектроскопії

Інфрачервона спектроскопія (ІК спектроскопія), розділ молекулярної оптичної спектроскопії, вивчав спектри поглинання і відображення електромагнітного випромінювання в інфрачервоної області, тобто. буде в діапазоні довжин хвиль від 10-6 до 10-3 м. У координатах інтенсивність поглиненої випромінювання - довжина хвилі (хвилеве число) інфрачервоний спектр є складну криву з великою кількістю максимумів і мінімумів.

БлизькийИК-спектр рідкого етанолу

Смуги поглинання з'являються внаслідок переходів міжколебательними рівнями основного електронного стану досліджуваної системи.Спектральние характеристики (становища максимумів смуг, їхполуширина, інтенсивність) індивідуальної молекули залежить від мас з яких складається атомів, геометрії будівлі, особливостеймежатомних сил, розподілу заряду та інших. Тому інфрачервоні спектри вирізняються великою індивідуальністю, що визначає їх цінність при ідентифікації та вивчення будівлі сполук.

>Количественная зв'язок між інтенсивністю I котрий пройшов речовина випромінювання, інтенсивністю падаючого випромінюванняI0 і величинами, котрі характеризують поглинаюча речовина, полягає в законіБугера-Ламберта-Бера, т. е. на залежності інтенсивності смуг поглинання від концентрації речовини в пробі. У цьому про кількість речовини судять за окремим смугам поглинання, а, по спектральним кривим у цілому широкому діапазоні довжин хвиль. Якщо компонентів невелика (4-5), то вдається математично виділити їх спектри навіть за значномуперекривании останніх. Похибка кількісного аналізу, зазвичай, становить частки відсотка.

Насправді зазвичай інфрачервоний спектр поглинання представляють графічно як залежність від частоти (чи довжини хвилі ) низки величин, характеризуючих поглинаюча речовина: коефіцієнта пропускання T ( ) = I ( )/>I0( ); коефіцієнта поглинання А( ) = [>I0( ) — I ( )]/>I0( ) = 1 — Т( ); оптичної щільності D( ) =ln[1/T( )] = ( )>cl, де ( ) — показник поглинання, з — концентрація яка поглинає речовини, l — товщина яка поглинає шару речовини. Оскільки D( ) пропорційна ( ) і з, вона зазвичай застосовується для кількісного аналізу поспектрам поглинання.

Можливості використання інфрачервоної спектроскопії для якісного виявлення й визначення структури

Метод інфрачервоної спектроскопії універсальний фізико-хімічним методом, що застосовується у дослідженні на структурні особливості різних органічних і неорганічних сполук. Метод грунтується на явище поглинання групами атомів випробуваного об'єкта електромагнітних випромінювань в інфрачервоному діапазоні. Поглиненна пов'язані з порушенням молекулярних коливань квантами інфрачервоного світла. При опроміненні молекули інфрачервоним випромінюванням поглинаються ті кванти, частоти відповідають частотахвалентних, деформаційних ілибрационних коливань молекул.

Для реєстрації спектрів поверхні твердих тіл застосовують метод порушеного повного внутрішнього відображення. Він грунтується на поглинанні поверховим шаром речовини енергії електромагнітного випромінювання, виходить із призми повного внутрішнього відображення, яка зараз переживає оптичному контакту з досліджуваної поверхнею. Інфрачервона спектроскопія широко застосовують для аналізу сумішей і ідентифікація чистих речовин.

Ідентифікація чистих речовин виробляється звичайно з допомогою інформаційно-пошукових систем шляхом автоматичного порівняння аналізованого спектра зі спектрами,хранящимися у пам'яті ЕОМ. Для ідентифікації нових речовин (молекули яких можуть утримувати до 100 атомів) застосовують системи штучного інтелекту. У цих системах з урахуваннямспектроструктурних кореляцій генеруються молекулярні структури, потім будуються їх теоретичні спектри, які порівнюються з експериментальними даними. Дослідження будівлі молекул та інших. об'єктів методами інфрачервоної спектроскопії передбачає отримання даних про параметрах молекулярних моделей і математично зводиться до вирішення зворотних спектральних завдань. Рішення завдань здійснюється послідовним наближенням шуканих параметрів, розрахованих з допомогою спеціальної теорії спектральних кривих до експериментальним.

>Параметрами молекулярних моделей служать маси складових систему атомів, довжини зв'язків,валентние іторсионние кути, характеристики потенційної поверхні (силові постійні й ін.),дипольние моменти зв'язків та його похідні подлинам зв'язків та інших. Інфрачервонаспеткроскопия дозволяє ідентифікувати просторові і конформаційні ізомери, вивчати всередині- імежмолекулярние взаємодії, характер хімічних зв'язків, розподіл зарядів в молекулах, фазові перетворення, кінетику хімічних реакції, реєструвати короткоіснуючі (тривалість життя до 10-6 з) частки, уточнювати окремі геометричні параметри, отримувати дані для обчислення термодинамічних функцій та інших.

Необхідний етап таких досліджень - інтерпретація спектрів, тобто. встановлення форми нормальних коливань, розподілуколебательной енергії по ступенів свободи, виділення значимих параметрів, визначальних становище смуг в спектрах та його інтенсивності. Розрахунки спектрів молекул, містять до 100 атомів, зокрема полімерів, виконуються з допомогою ЕОМ. У цьому треба зазначити характеристики молекулярних моделей (силові постійні,електрооптические параметри та інших.), які знаходять рішенням відповідних зворотних спектральних завдань чиквантовохимическими розрахунками.

І те, в іншому разі зазвичай вдається отримувати дані для молекул, містять атоми лише перших чотирьох періодів періодичної системи. Тому інфрачервона спектроскопія як засіб вивчення будівлі молекул отримав найбільшого поширення в органічної іелементоорганической хімії. У окремих випадках для газів у інфрачервоної області вдасться спостерігати обертальну структуру коливальних смуг. Це дає змоги розраховуватидипольние моменти, і геометричні параметри молекул, уточнювати силові постійні й т.д.

Інфрачервона спектроскопія має низку переваг передспектроскопией в видимої і ультрафіолетової областях, оскільки дозволяє простежити зміна всіх основних типів зв'язків в молекулах досліджуваних речовин. З використанням інфрачервоної спектроскопії визначення якісного і кількісного складу природних сумішей немає руйнація речовин, що дозволяє застосовувати їх задля наступних досліджень.

Як відомо, при інфрачервоної спектроскопії буде в діапазоні кожної хімічної угрупованню органічної молекули відповідає певний набір смуг поглинання, що добре вивчені й приведено у довідниках. У цьому треба сказати, у процесі зняття інфрачервоного спектра створюються перешкоди на певних довжинах хвиль, пов'язані з поглинанням електромагнітного випромінювання зв'язками розчинниківО-Н іС-Н.

>Инфракрасний спектр біологічного зразка є сумарний спектр, у якому відбувається накладення смуг поглинання різних функціональних груп органічних речовин і навіть води. Це ускладнюється у вигляді взаємодії окремих видів коливань зазначених груп, у своїй відбувається знеформлення смуг поглинання зсув їх максимумів. Тому на згадуваній інфрачервоних спектрах спостерігається велика кількість широких смуг поглинання з неясними максимумами. Зазвичай розшифровка інфрачервоних спектрів біологічних зразків дуже складною, тому, щоб полегшити розшифровку сумарного спектра, необхідно розділяти біологічний зразок більш прості компоненти. Це дає нагоду отримати більше смуг поглинання для досліджуваного речовини й точніше визначити склад компонентів в зразку.

Позитивною особливістю методу інфрачервоної спектроскопії і те, що смуги поглинання однієї й тієї ж виду коливань атомної групи різних речовин вміщено у певному діапазоні інфрачервоного спектра (наприклад, 3720-3550см-1- діапазонвалентних коливань груп -ВІН; 3050-2850см-1 - груп -СП, ->СН2, ->СН3 органічних речовин). Точне становище максимуму смуги поглинання атомної групи не більше цього діапазону свідчить про природу речовини (так, максимум 3710см-1 свідчить про наявність груп -ВІН, а максимум 3030см-1 - присутність груп =>С-Н ароматичних структур).

>Характеристические частоти функціональних

груп у органічних з'єднаннях

Проте, якщо досліджуваний об'єкт є не механічні суміші, а є хімічним з'єднанням, то зазначені особливості інфрачервоних спектрів не виявляються.

Кількість характеристичних смуг поглинання атомних груп, їх інтенсивність і становище максимумів, можна побачити на інфрачервоних спектрах, дають уявлення про будову індивідуального сполуки або прокомпонентном складі складних речовин. Інтенсивність смуги поглинання визначається величиною, чисельно рівної енергії, яку поглинають атомні чи функціональні групи зразка під час проходження них інфрачервоних променів. Важливим діагностичним показником смуг поглинання є величина пропускання. Цей показник і концентрація речовини в який знімається об'єкті пов'язані зворотної пропорційної залежністю, що використовується для кількісних визначень змісту окремих компонентів.

Метод інфрачервоної спектроскопії дозволяє досліджувати тверду, рідку фази біологічної маси. Цей метод дозволяє вивчати зразок загалом, без його розчленовування і попередніх хімічних обробок, і навіть використовувати малі (до 10 мг) навішення.

Поглиненна органічних речовин, у різних ділянках інфрачервоного діапазону визначається входять до складу молекули хімічними угрупованнями, а точніше утворюючими їх зв'язками, тому метод дозволяє сумарно визначити родинні речовини, по характеристичним зонам поглинання.

Інфрачервона спектроскопія широко застосовується для аналізу біологічних рідин, зокрема крові й її фрагментів, а останнім часом для діагностику і прогнозування різноманітних захворювань всі у зростаючій ступеня використовується ротова рідина чи змішана слина, проте інтерпретація отриманих результатів ускладнюється у зв'язку змногокомпонентностью об'єктів дослідження.

При інфрачервоної спектроскопії крові й слини може бути кількісний аналіз лише функціональних груп, які входять у основні компоненти в аналітичних кількостях. Тому аналіз зразків даних рідин наштовхується на труднощі,т.к. сутнісно аналізується їх водна основа

У медицині інфрачервоної спектроскопії останніми роками уживають на означення деяких речовин, у біологічних рідинах: крові, сечі, слині, слізної рідини, жовчі, молоці, для ідентифікації деяких вітамінів, гормонів та інших біологічно активних речовин.

З іншого боку, останнім часом метод знаходить усе ширше застосовуються для характеристикиконформационних і структурні зміни білків, ліпідів, фосфоліпідівбиомембран клітин, досліджуваних вбиоптатах, ні з допомогою волоконно-оптичних методик.

З допомогою цього можна розцінюватифармокинетику різних лікарських засобів. При цукровому діабеті виявлено достовірно важливих змін інфрачервоного спектра крові Доведено зокрема можливість використання показників інфрачервоного спектра для ранньої діагностики стоматологічних захворювань, і прогнозування карієсу зубів в дітей віком. Проведено дослідження швидких змін показників інфрачервоного спектра крові для прогнозування, діагностику і визначення рівня тяжкості остеопорозу та ефективності його. Доведена зокрема можливість використання інфрачервоної спектроскопії вивчення процесів регенерації.

Інфрачервона спектроскопія застосовується й у судовому аналізі з вивченнямитохондриального геному при ідентифікації особи і визначенні батьківства,т.к. ідентифікується генетичний фокусDIS80, у якому перемінні числатандемних дуплікацій.

Прилади для інфрачервоної спектроскопії

Для реєстрації спектрів використовують класичніспектрофотометри іфурье-спектрометри.

Дослідницький ІК спектрометрVarianScimitar 1000FT-IR

Основні частини класичногоспектрофотометра - джерело безперервного теплового випромінювання,монохроматор,неселективний приймач випромінювання.Кювета з речовиною (у кожному агрегатному стані) поміщається перед вхідний (іноді за вихідний) щілиною. Якдиспергирующего устроюмонохроматора застосовують призми з матеріалів (>LiF,NaCl,KCl,CsF та інших.) ідифракционной грати. Послідовне виведення випромінювання різних довжин хвиль на вихідну щілину і приймач випромінювання здійснюється сканування поворотом призми чи грати. Джерела випромінювання -накаливаемие електричним струмом стрижні з матеріалів. Приймачі: чутливі термопари, металеві і напівпровідниковітермосопротивления (>болометри) газовітермопреобразователи, нагрівання стінки судини яких призводить до нагріванню газу та зміни його тиску, яке фіксується. Вихідний сигнал має вигляд звичайній спектральною кривою.

Переваги приладів класичної схеми: простота конструкції, відносно мала вартість. Недоліки: неможливість реєстрації слабких сигналів через малого відносини сигнал: шум, що дуже утрудняє роботу у далекої інфрачервоної області; порівняно невисока що дозволяє здатність (до 0,1см-1), тривала (протягом декількох хвилин) реєстрація спектрів.

Уфурье-спектрометрах відсутні вхідні і вихідна щілини, а основний елемент -интерферометр. Потік випромінювання джерела ділиться на два променя, які відбуваються через зразок іинтерферируют. Різниця ходу променів варіюється рухомим дзеркалом, відбиваючим одне із пучків.

>Блок-схемафурье-спектрометра:

1 – джерело випромінювання; 2 – трамблер; 3 –светоделитель; 4 – рухливий дзеркало;

5 – нерухоме дзеркало; 6 – система лінз; 7 –кюветное відділення;

8 – детектор; 9 – аналого-цифровий перетворювач; 10 – контролер;

11 – комп'ютер; 12 – цифрова печатку; 13 – дискова пам'ять.

Початковий сигнал залежить від енергії джерела випромінювання та від поглинання зразка і має вигляд суми значної частини гармонійних складових. Для отримання спектра у звичайній формі виробляється відповіднефурье-преобразование з допомогою вбудованої ЕОМ.

Найбільш ефективне використання устаткування інфрачервоної Фур'є спектроскопії можливе лише за відповідну підготовку проби, настановленим аналізу. Працюючи на інфрачервоних Фур'єспектрометрах можна використовувати як традиційні способипробоподготовки для інфрачервоної спектроскопії, і нові прийоми, зумовлені передусім меншою кількістю речовини, достатнім для аналізу та можливістю використання додаткових пристроїв (приставок).

Перевагифурье-спектрометра: високе ставлення сигнал: шум, можливість роботи у широкому діапазоні довжин хвиль не без змінидиспергирующего елемента, швидка (за секунди і частки секунд) реєстрація спектра, висока що дозволяє здатність (до 0,001см-1). Недоліки: складність виготовлення й високу вартість.

Усіспектрофотометри забезпечуються ЕОМ, що виробляють первинну обробку спектрів: накопичення сигналів, відділення їхню відмінність від шумів, віднімання фону і спектра порівняння (спектра розчинника), зміна масштабу записи, обчислення експериментальних спектральних параметрів, порівняння спектрів із наперед заданими, диференціювання спектрів та інших.Кювети для інфрачервонихспектрофотометров виготовляють з прозорих в інфрачервоної області матеріалів. Як розчинників використовують зазвичайССl4,СНСl3,тетрахлоретилен, вазелінове олію. Тверді зразки часто подрібнюють, змішують з порошкомКВr і пресують таблетки. Робота з агресивними рідинами і газами застосовують спец. захисні напилювання (>Ge, Si) на вікна кювет.Мешающее вплив повітря усуваютьвакуумированием приладу чипродувкой його азотом.

Для випадку слабко поглинаючих речовин (зріджені гази та інших.) застосовують багатоходовікювети, у яких довжина оптичного шляху сягає сотень метрів завдяки багаторазовим відображенням не від системи паралельних дзеркал. Велике поширення отримав метод матричної ізоляції, у якому досліджуваний газ

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація