Рис. 10. Прохождение света через
рассеивающую среду: а) без иммерсионной
жидкости, б) в присутствии иммерсионной
жидкости (например, вазелинового масла).
Размер растертых
частиц должен быть меньше длины волны
ИК-излучения. Для этого малое количество
вещества (обычно не более 0,5 –2 мг) растирают
в тонкий порошок, смешивают с вазелиновым
маслом, полученную однородную пасту аккуратно
наносят на солевое окно и раздавливают
в тонкий слой вторым окном. При плохом
растирании спектры получаются неразрешенными
и иногда искаженными из-за эффекта Христиансена
(влияет дисперсия показателя преломления
в области полосы поглощения).
Таблетки
с КВr. Метод взвесей в КВr, называемый еще методом
прессования таблеток, впервые предложен
в 1952 г. Он заключается в тщательном перемешивании
тонкоизмельченной пробы с порошком КВr
(или другим галогенидом щелочного металла)
с последующим прессованием смеси в пресс-форме,
в результате чего получается прозрачная
или полупрозрачная таблетка. Наилучшие
результаты достигаются при откачке пресс-формы,
что позволяет избавиться от включений
воздуха в таблетки. Преимущества метода
прессования таблеток следующие: 1) отсутствие
большинства мешающих полос поглощения,
2) возможность контроля за концентрацией
образца, 3) удобство хранения образцов.
К недостаткам метода относят: 1) возможность
изменения кристаллической структуры
полиморфных веществ в процессе растирания
и прессования, 2) проявление в спектрах
адсорбированной воды всегда имеющейся
в некотором количестве в гигроскопичном
КВr (1640 и 3450 см-1), 3) в некоторых случаях
возможно химическое взаимодействие КВr
с веществом пробы (например, с металлоорганическими
соединениями).
Диффузное
отражение применяется для получения ИК спектров
порошкообразных веществ, особенно, в
ближней области спектра. При использовании
специальных приставок для Фурье-спектрометров
методика оказалась полезной для количественного
анализа, в частности, лекарственных препаратов.
Пиролиз. Когда все попытки
получить ИК спектр терпят неудачу, трудные
образцы подвергают пиролизу или сухой
перегонке с последующим анализом ИК спектров
летучих продуктов. Во многих случаях
спектры пиролизатов похожи на спектры
исходных соединений. Этим способом можно
идентифицировать, например, полиуретаны.
Существуют
приставки к Фурье-спектрометрам, позволяющие
регистрировать ИК спектры хроматографических
фракций по мере их выхода из газового
хроматографа.
Кюветы
с алмазными окнами. Для исследования свойств твердых тел
и фазовых переходов в них требуется регистрация
ИК спектров при высоких, до 10000 атм давлениях.
В настоящее время не являются экзотикой
кюветы с прозрачными в ИК области окнами
из природных алмазов типа IIa (алмазные
наковальни). Оптическое отверстие такой
кюветы невелико и для ее использования
может понадобиться специальный микроосветитель
- световой конденсор.
Спектроскопия внутреннего
отражения. Среди приемов пробоподготовки
особое место занимает спектроскопия
нарушенного полного внутреннего отражения.
Этот метод широко применяется для получения
спектров поверхности “неудобных” объектов
таких как наполненные смолы, композиционные
материалы, сырая резина или пищевые продукты.
Он основан на поглощении поверхностным
слоем исследуемой пробы электромагнитного
излучения, выходящего из призмы полного
внутреннего отражения, находящейся в
оптическом контакте с изучаемой поверхностью.
Для регистрации спектров НПВО необходимы
специальные приставки, которые размещают
в кюветном отделении стандартного спектрометра.
Спектры НПВО практически идентичны обычным
спектрам поглощения (рис. 11).
Рис.11. ИК спектры полипропиленовой
плёнки – вверху спектр поглощения, внизу
спектр НПВО
Газы
В простейших
случаях особых проблем при подготовке
газообразных проб не возникает. В случае
агрессивных газов и паров для изготовления
кюветы следует использовать специальные
материалы. В качестве окон можно использовать
листовой полиэтилен. Прокладки лучше
использовать из таких инертных материалов,
как витон или тефлон, поскольку другие
материалы могут загрязнять образцы из-за
адсорбции и десорбции.
Для уменьшения
влияния уширения полос за счет соударений
давление в кюветах обычно доводят до
атмосферного сухим азотом. Такая процедура
увеличивает чувствительность к следовым
количествам составных частей, а также
позволяет проводить количественные измерения.
В тех случаях, когда требуется
высокая чувствительность, как, например,
при исследованиях загрязнений атмосферы,
очень полезны многоходовые газовые кюветы
с большой длиной оптического пути. Промышленность
выпускает газовые кюветы с длиной оптического
пути до 120 м, а в литературе есть сообщения
о специальных кюветах с общей длиной
пути до 1 км, что позволило достичь чувствительности
0,1 – 1 частей на миллиард. Следовые количества
вредных и ядовитых паров, содержащихся
в атмосфере, можно адсорбировать на древесном
угле в адсорбционных трубках, а затем
элюировать растворителем для идентификации
по ИК-спектру. Охлаждение угля до температуры
жидкого азота повышает эффективность
определения до 80 – 100% [20].
10. Аппаратура
ИК-спектроскопии.
Вся ИК-область условно делится
на ближнюю в диапазоне волновых чисел
4000–12500 см-1, в которой
наблюдается электронные и колебательные
переходы; основную и среднюю от 625 до 4000
см-1, связанную
в основном с колебаниями молекул; и дальнюю
от 50 до 625 см-1, в которой
наблюдаются вращательные переходы, колебания
в тяжелых молекулах, в ионных и молекулярных
кристаллах, некоторые электронные переходы
в твердых телах, крутильные и скелетно-деформационные
колебания в сложных молекулах, например,
в биополимерах. В настоящее время наибольшее
развитие получила спектроскопия в средней
ИК-области, в которой работает большинство
серийных приборов [15].
Общая конструкция ИК-спектрометра
включает: источник излучения, диспергирующую
систему (монохроматор) и регистрирующий
элемент (детектор). Специфика ИК-излучения
приводит к особенностям в устройстве
каждого элемента.
Область
спектра |
ν, см-1 |
λ, мкм |
Применение |
Ближняя |
12500–4000 |
0,8–2,5 |
Качественный и количественный
анализ на Н-содержащие функциональные
группы, множество сорбентов основных
частот из средней ИК-области. |
Средняя |
4000–625 |
2,5–16,7 |
Колебательная или основная
ИК-область. Типичные линии поглощения
функциональных групп, главным образом
в диапазоне 1400–4000 см-1, а диапазон 600–1400 называют область
«отпечатков пальцев». |
Дальняя |
625–30 |
16,7–330 |
Область колебаний с малой
энергией, в особенности у неорганических
и металлорганических соединений. Исследование
скелетных и крутильных колебаний, а также
колебаний решетки твердых тел. |
Источник излучения в ИК-спектрометре
должны перекрывать большой интервал
длин волн. Из них наиболее распространены
стержни из карбида кремния (глобар) или
из оксидов редкоземельных элементов
(штифт Нернста), нагреваемые током до
1500 и 800 С. Кривая интенсивности излучения
этих источников имеет вид кривой излучения
абсолютно черного тела. Они дают мощное
ИК-излучение, но преимущественно в ближней
ИК-области и быстро падающее с увеличением
длины волны (это изменение мощности компенсируется
программированным раскрытием входной
щели прибора). В длинноволновой части
ИК-спектра применяют ртутно-кварцевые
лампы высокого давления.
а б
Рис. 12. Стержень из карбида
кремния (а) (глобар) и Штифт Нернст
Рис. 13. Ртутно-кварцевые лампы
высокого давления
В монохроматоре диспергирующими
элементами могут служить призмы в ИК-области
материалов с подходящей дисперсией или
дифракционные решетки. Призмы из стекла
или кварца неприменимы, поскольку не
пропускают ИК-излучение, и обычно используют
призмы, изготовленные из некоторых солей.
От призм требуется достаточно большая
диспергирующая способность, но она падает
с уменьшением длины волны. Так призма
из NaCl обеспечивает точность около 2 см-1 в области
650 см-1 и около
30 см-1 в области
3000 см-1. Поэтому
обычно используют 3–4 сменных призмы
из монокристаллов LiF, NaCl, KBr. Дисперсия
материала призмы обычно сильно меняется
с температурой, поэтому необходимо термостатирование
прибора. Солевую оптику следует беречь
от повышенной влажности.
В настоящее время все чаще
в качестве диспергирующих элементов
применяют дифракционные решетки. У них
больше дисперсия, которая мало зависит
от длины волны и почти не зависит от температуры,
но решетки могут давать наложение спектров
высших порядков, что требует использования
в приборе хороших спектральных фильтров.
Рис. 14. Дифракционная решетка
Детектирование ИК-излучения
основано преимущественно на тепловом
его действии. Для средней ИК-области в
качестве приемников излучения применяют
чувствительные термопары (термостолбики)
и термометры сопротивления (болометры),
покрытые чернью. Используют также пневматические
приемники (ячейка Голея), в которых газ
в зачерненной камере с гибкой стенкой
меняет давление под действием излучения.
В длинноволновой области применяют также
другую группу приемников: фотонные приемники
с фотопроводимостью.
Среди ИК-спектрометров наиболее
распространены диспергирующие сканирующие
приборы, в которых спектры последовательно
сканируются и регистрируются с помощью
одноканального приемника. По схеме освещения
такие приборы бывают однолучевыми и двулучевыми.
В однолучевых спектрометрах для освещения
щели используют одно сферическое зеркало.
Теперь чаще используют двухлучевую
систему, которая позволяет выравнивать
фон, то есть линию полного пропускания,
и компенсировать как поглощение атмосферными
Н2О и СО2 так и ослабление
пучков окнами кюветы и растворителем.
Упрощенная блок-схема двухлучевого сканирующего
ИК-спектрометра с дифракционной решеткой
представлена на рис. 15.
Рис. 15. Схема инфракрасного
двухлучевого спектрофотометра
ИК-излучение от источника 1
делится на два пучка системой зеркал
2. Рабочий пучок проходит через кювету
с образцом 3, а пучок сравнения – через
компенсатор фона 4. С помощью дискомодулятора
5 пучки попеременно направляются на входную
щель монохроматора 6 и через нее – на
дифракционную решетку 7, которая разлагает
излучение в спектр и направляет его на
выходную щель 8. Монохроматическое изображение
щели попадает на приемник – висмутовый
болометр 9. В отсутствии исследуемого
образца интенсивности рабочего пучка
и пучка сравнения одинаковы, в приемнике
сигналы от этих пучков вычитаются; на
выходе сигнал отсутствует. При поглощении
рабочего пучка исследуемым веществом
на приемник попадают лучи различной интенсивности,
в результате чего в приемнике возникает
переменный сигнал. После усиления и преобразования
сигнала приводится в движение перо самописца
10. При медленном повороте решетки щель
8 последовательно вырезает узкие участки
спектра, и на ленте самописца вычерчивается
кривая зависимости пропускания от длины
волны.
Серийные одно- и двухлучевые
спектрофотометры, используемые для изучения
низкомолекулярных соединений, имеют
достаточную разрешающую способность
для исследования большинства полимеров.
Однако для работы в дальней области спектра,
которая в исследовании полимеров играет
очень важную роль, необходимы специальные
вакуумные спектрофотометры с дифракционными
решетками.
Современные спектрометры позволяют
регистрировать ИК-спектры газообразных,
жидких и твердых образцов. Для получения
ИК-спектра полимера или органического
соединения необходимо всего от 1 до 10
мг вещества.
В большинстве случаев спектры
соединений регистрируют либо в виде растворов
веществ в хлороформе, четыреххлористом
углероде, сероуглероде, либо в виде твердых
прозрачных таблеток, полученных прессованием
под давлением мелко размолотой смеси
вещества с бромидом калия. Иногда использую
метод съемки ИК-спектра вещества в виде
мелко растертой суспензии в вазелиновом
или минеральном масле.
В случае регистрации ИК-спектра
соединений в растворах или суспензиях
необходимо вычитать полосы поглощения
растворителей или суспензионной среды
[19].
Рис. 16. ИК-спектр хлороформа
- Специфические особенности
фармацевтического анализа.
Фармацевтический анализ —
это наука о химической характеристике
и измерении биологически активных веществ
на всех этапах производства: от контроля
сырья до оценки качества полученного
ЛВ, изучения его стабильности, установления
сроков годности и стандартизации ЛФ.
Фармацевтический анализ имеет свои специфические
особенности, отличающие его от других
видов анализа. Эти особенности заключаются
в том, что анализу подвергают вещества
различной химической природы: неорганические,
элементорганические, радиоактивные,
органические соединения от простых алифатических
до сложных природных биологически активных
веществ. Чрезвычайно широк диапазон концентраций
анализируемых веществ. Объектами фармацевтического
анализа являются не только индивидуальные
ЛВ (субстанции), но и смеси, содержащие
различное число компонентов.
Способы фармацевтического
анализа нуждаются в систематическом
совершенствовании в связи с созданием
новых ЛС и непрерывным повышением требований
к их качеству. Причем растут требования
как к степени чистоты ЛВ, так и к количественному
содержанию. Поэтому необходимо широкое
использование для оценки качества ЛС
не только химических, но и более чувствительных
физико-химических методов.
К фармацевтическому анализу
предъявляют высокие требования. Он должен
быть достаточно специфичен и чувствителен,
точен по отношению к нормативам, обусловленным
ГФ, ФС и другой НД, выполняться в короткие
промежутки времени с использованием
минимальных количеств испытуемых Л С
и реактивов. Фармацевтический анализ
в зависимости от поставленных задач включает
различные формы контроля качества ЛС:
фармакопейный анализ, постадийный контроль
производства ЛВ, анализ ЛФ индивидуального
изготовления, экспресс- анализ в условиях
аптеки и биофармацевтический анализ.