ИК спектр воздуха

ИК спектр воздуха

Вводное слово

Основу газообмена живых организмов с окружающей средой составляют поглощение кислорода и выделение паров воды и углекислого газа, происходящие при внешнем дыхании. Изменения концентрации О₂ и СО₂ вследствие дыхания достигают » 4 % от суммарного состава выдыхаемого воздуха.   В пробе обычного воздуха при нормальных условиях присутствует 20,93 % кислорода и до 0,03% двуокиси, а в выдыхаемом воздухе О₂ » 16 % и СО₂ » 4,5 %.      Кроме углекислого газа и кислорода множество других достаточно легких газообразных соединений в меньших количествах образуются в организме. По выделению таких веществ можно изучать биохимические процессы, происходящие в организме, как в норме, так и при патологиях, т.е. при заболеваниях.

Инструментальный анализ следов газообразных соединений в выдыхаемом воздухе является актуальным и перспективным  подходом для развития новых методов  исследований и диагностики в биомедицине.

Благодаря достаточно высокому спектральному разрешению и широкому спектральному диапазону достижима хорошая селективность детектирования , а следственно Фурье-спектрометрия (ФС) может применяться для высокочувствительного спектрального газового анализа состава выдыхаемого воздуха.

По второй производной сигнала поглощения возможно определение NH₃ в биологических растворах и сравнение парциального давления аммиака в артериальной крови и альвеолярном воздухе – смеси газов, содержащейся в лёгочных альвеолах.

Инфракрасная спектрометрия позволяет определить изотопное отношение ¹³С/¹²С в двуокиси углерода CO₂ и в оксиде CO.

С точки зрения практической медицины актуальность данного направления  исследований обусловлена перспективностью использования результатов для разработки новых методов корреляционной диагностики заболеваний, радиационно-безопасной изотоп-диагностики с применением стабильных изотопов, сопровождения и оптимизации терапевтических воздействий различного характера.

Лабораторная  работа

Для первоначального ознакомления с проблемами анализа газовых смесей была выбрана лабораторная работа по измерению спектров паров воды и углекислого газа в воздухе, как самых доступных веществ. Так как при измерении этих спектров требуется большая чувствительность прибора, то используются серийный отечественный Фурье-спектрометр ФСМ 1201.

Мы  получили спектры воздуха(газовой смеси) при последовательном изменении параметров, провели модельные расчеты.

На рис. 1 показан ИК-спектр атмосферного воздуха с полосами паров воды и углекислого газа (спектральный диапазон 400 –4000 см^-1; разрешение 1,0 см^-1; число сканов 20). Этот и последующие спектры, построены средствами Excel по табличным данным программы Fspec. Спектр паров воды низкой плотности (~10^-3 г/см³) состоит из серии близко расположенных узких линий с полушириной Dn_1/2 от 0,05 до 0,5 см^-1. Вот почему на рис. 1 они выглядят как частокол в области 4000 – 3500 см^–1 и 2100 – 1300 см^–1.

Рис.1. Атмосферные  диоксид углерода и пары воды

На рис. 2 показаны участки ИК спектра атмосферного углекислого газа при разрешении 0,25 см^-1.

Рис. 2. Валентное асимметричное и деформационное колебания CO₂.

Валентное асимметричное колебание молекулы СО₂

Молекула двуокиси углерода линейная, у нее 4 степени свободы. Есть два  вида колебаний атомов молекуле, при которых сохраняется линейность молекулы (a и b), и два деформационных колебания в плоскости (c) и перпендикулярно плоскости (d), когда молекула перестает быть линейной.

Значительный объем информации о свойствах молекул может  быть получен при изучении колебательно-вращательных спектров. Такие спектры связаны  с изменениями в колебательном  и вращательном движении молекул

                                                                                                                                             КафМолекСпектрСПбУ

               КафОбщФизДИТИ