Инфракрасная спектроскопия как метод анализа объектов окружающей среды

Медицинский институт РУДН

Кафедра фармацевтической и токсикологической химии

дисциплина «Экологическая токсикология»

Инфракрасная спектроскопия как метод анализа

объектов окружающей среды

I.  Изучите общую характеристику метода ИК-спектроскопии, ответьте на вопросы, решите задачи

Инфракрасное излучение занимает в электромагнитном спектре область между видимым светом и радиоизлучением. Инфракрасным называют излучение с длинами волн от 0.8 до 1000 мкм. ИК-диапазон условно делится на ближнюю, среднюю и дальнюю области:

Область	Длина волны, мкм	Волновое число, см-1
ближняя ИК	0,78 – 2,5	12800 – 4000
средняя ИК	2,5 – 50	4000 – 200
дальняя ИК	50 – 1000	200 – 10

Для характеристики ИК-излучения чаще используют волновые числа (величины обратные длинам волн – обратные сантиметры, см-1). Между волновым числом и длиной волны существует соотношение:

ν = 104 / λ

где ν - волновое число в см-1, а λ - длина волны в мкм

Явление взаимодействия веществ с ИК-излучением открыто в 1881 г. Было обнаружено, что при облучении вещества инфракрасным светом разной частоты, оно поглощает кванты энергии избранных частот — тех, которые характерны для имеющихся в веществе структурных фрагментов. Впервые были получены спектры органических жидкостей в диапазоне длин волн от 1 до 1,2 мкм.

Для объяснения причины поглощения органическими соединениями ИК-излучения определенной частоты воспользуемся рассмотрением следующей модели. Все молекулы состоят из химически связанных между собой атомов. Атомы в молекуле находятся в постоянном колебательном движении. Это движение напоминает колебание шариков, связанных пружинами. Частота колебаний зависит от силы химической связи и масс связанных атомов. Переходы между колебательными энергетическими уровнями молекул лежат в инфракрасном диапазоне, а поглощение инфракрасного излучения вызывает колебания, связанные с изменением либо длин связи, либо углов между связями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает растягиваться определенная связь или искажаться определенный угол между связями. Таким образом, основными типами колебаний являются так называемые валентные (изменение длины связи) и деформационные (изменение угла) колебания. Регистрируя интенсивность прошедшего излучения в зависимости от длин волн (или волновых чисел), получают кривую, на которой видны полосы поглощения. Это и есть ИК-спектр. В качестве примера рассмотрим спектры токоферола (витамин Е) и его сложных эфиров с алифатическими и ароматической кислотами (рис. 1). На ИК-спектрах эфиров исчезает полоса, соответствующая валентным колебаниям О-Н связи гидроксила, но появляется полоса, соответствующая валентным колебаниям С=О группы сложноэфирной группировки.

ИК-спектры принято записывать в виде зависимости пропускания ИК-излучения (%) от волнового числа. Поэтому максимумы пиков, отвечающие наибольшему поглощению ИК-излучения, обращены вниз.

Кюветы для ИК-спектрометрии изготавливают из солевых материалов (NaCl, KBr, CaF2, LiF и др.). Область прозрачности кюветы в ИК-области зависит от используемого материала:

Не существует растворителей, которые при значительной толщине слоя были бы полностью прозрачными для ИК-спектров. Четыреххлористый углерод (при толщине слоя до 5 мм) практически прозрачен до 1666 см-1. Углерода дисульфид (толщиной 1 мм) подходит как растворитель до 250 см-1 за исключением областей от 2381 до 2000 см-1 и от 1819 до 333 см-1, где он имеет сильное поглощение. Другие растворители прозрачны в относительно узкой области. Растворители, применяемые в ИК-спектрометрии, должны быть инертны к материалу, из которого сделана кювета.

Рис. 1. ИК-спектры токоферола и его сложных эфиров с уксусной, янтарной и никотиновой кислотами: фенольный гидроксил - валентные колебания νО-Н 3450 см -1 ; сложноэфирная группа алифатических и ароматических кислот - валентные колебания νС=О 1750-1715 см-1.

Современные типы ИК-спектроскопии. ИК-Фурье спектроскопия. Фурье-спектроскопия представляет собой один из вариантов метода ИК-спектроскопии и по существу не является отдельным спектральным методом. Термин «ИК-Фурье спектроскопия» возник с появлением нового поколения приборов, в основе оптической схемы которых используются различного типа интерферометры. После получения результирующей интерферограммы исследуемого вещества, его ИК-спектр рассчитывается компьютером с использованием математического преобразования Фурье.

ИК-Фурье спектрометры отличаются от диспергирующих приборов, в которых набор ИК частот получают с помощью диспергирующих устройств (призмы или дифракционной решетки), прежде всего более простой и надежной конструкцией прибора, возможностью выполнять исследования, требующие проведения быстрого сканирования – съемка спектров веществ в процессе газохроматографического разделения, проведение измерений в потоке или кинетических измерений.

1) укажите в каком диапазоне длин волн находится ИК область электромагнитного спектра, какие поддиапазоны в ней выделяют – запишите их в нм, мкм и см-1;

2) дайте объяснения причины поглощения органическими соединениями ИК-излучения;

3) определите понятие «валентное колебание», «деформационное колебание», приведите примеры (связь – тип колебания - частота);

4) укажите основные отличия Фурье ИК спектроскопии от классического спектрального анализа;

5) переведите следующие значение длин волн в соответствующее волновое число: 1200 нм, 3,4 мкм, 2100 нм;

6) используя справочные таблицы, схематично изобразите ИК-спектр воды, этанола, бензола. (http://www2.ups. edu/faculty/hanson/Spectroscopy/IR/IRfrequencies. html, http://www. /Infrared_spectroscopy_absorption_table)

7) используя справочные таблицы, решите задачи:

II.  ИК спектроскопия в практике аналитического контроля качества питьевой воды. Изучите изложенный ниже материал, выполните задания

В практике аналитического контроля качества вод под нефтепродуктами понимают неполярные и малополярные углеводороды (алифатические, ароматические, алициклические), составляющие основную и наиболее характерную часть нефти и продуктов ее переработки. Содержание нефтепродуктов является одним из обобщенных показателей, характеризующих качество вод. Для питьевых вод предельно допустимая концентрация (ПДК) составляет 0,1 мг/дм3. Загрязнение нефтепродуктами является наиболее типичным и весьма опасным фактором воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду. Основными методами количественного химического анализа, применяемыми в настоящее время при определении нефтепродуктов в водах, являются гравиметрический, ИК-спектроскопический, газохроматографический и флуориметрический.

Гравиметрический метод основан на экстракции нефтепродуктов из пробы, очистке экстракта от полярных веществ, удалении экстрагента путем выпаривания и взвешивании остатка. Он используется, как правило, при анализе сильно загрязненных проб и не может использоваться при анализе проб, содержащих нефтепродукты на уровне ПДК, поскольку нижняя граница диапазона измерений составляет 0,3 мг/дм3 при объеме анализируемой пробы 35. Несомненным достоинством метода является то, что не требуется предварительная градуировка средства измерения. В силу этого метод принят в качестве арбитражного.

Метод ИК-спектроскопии основан на экстракции нефтепродуктов из пробы четыреххлористым углеродом или хладоном 113, очистке экстракта от полярных соединений методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия и последующей регистрации поглощения излучения в области спектра 2700—3200 см-1, обусловленного валентными колебаниями СН3 и СН2 групп алифатических и алициклических соединений и боковых цепей ароматических углеводородов, а также связей СН ароматических соединений. Метод может быть реализован как в варианте регистрации спектра поглощения в указанной области с помощью традиционного или Фурье-спектрометра, так и более простом варианте, при котором используется анализатор, измеряющий интегральное поглощение излучения в области 2900—3000 см-1, в которой наблюдаются наиболее интенсивные полосы поглощения, соответствующие асимметричным валентным колебаниям групп СН3 и СН2.

Метод требует обязательной градуировки средства измерений с использованием стандартных образцов состава раствора нефтепродуктов в четыреххлористом углероде. В России используются стандартные образцы, приготовленные на основе так называемой трехкомпонентной смеси (37,5% гексадекана, 37,5% 2,2,4-триметилпентана и 25% бензола по массе). Нижняя граница диапазона измерения — 0,05 мг/дм3. Основное достоинство метода — слабая зависимость аналитического сигнала от типа нефтепродукта, составляющего основу загрязнения пробы. Трудности, возникающие при использовании метода, связаны с мешающими влияниями липидов и других полярных соединений при их высоком содержании, при котором оказывается исчерпанной емкость хроматографической колонки, используемой для очистки экстракта. Основной недостаток метода — его неэкологичность, обусловленная применяемыми высокотоксичными растворителями. В России ИК-спектроскопический метод стандартизован для анализа питьевых вод, а также изложен в ряде нормативных документов на методики выполнения измерений и рассматривается в качестве основного, а в ряде случаев и единственного метода определения нефтепродуктов (ГОСТ Р 51797-2001. Вода питьевая. Метод определения содержания нефтепродуктов).

Метод газовой хроматографии основан на разделении углеводородов нефти на неполярной фазе в режиме программирования температуры. Нефтепродукты экстрагируют из пробы органическим растворителем (четыреххлористый углерод или гексан), полученный экстракт очищают методом колоночной хроматографии на оксиде алюминия и очищенный экстракт анализируют. Аналитическим сигналом является суммарная площадь пиков на хроматограмме, начиная с пика н-декана (С10Н22) и кончая пиком н-тетраконтана (С40Н82). Градуировка проводится с использованием смеси дизельного топлива и смазочного масла.

Нижняя граница диапазона измерений согласно стандарту ИСО 9377-2:2000 составляет 0,1 мг/дм3. Таким образом, метод газовой хроматографии пригоден для анализа проб, содержащих нефтепродукты на уровне ПДК. Продолжительность регистрации хроматограммы составляет 20-30 мин.

Флуориметрический метод основан на экстракции нефтепродуктов гексаном, очистке при необходимости экстракта с последующим измерением интенсивности флуоресценции экстракта, возникающей в результате оптического возбуждения. Метод отличается высокой чувствительностью (нижняя граница диапазона измерений 0,005 мг/дм3), экспрессностью, малыми объемами анализируемой пробы и отсутствием значимых мешающих влияний липидов.

1)  Заполните пропуски в таблице

Некоторые характеристики методов определения нефтепродуктов в водах

Наименование характеристики	Метод
Флуориметрический	ИK-спектроскопический	Газохроматографический
Чувствительность метода, мг/дм3
Объем пробы, см3	100	до 2000	1000
Экстрагент
Состав образца для градуировки	Масло Т-22

2)  Прочитайте ГОСТ Р «51797-2001. Вода питьевая. Метод определения содержания нефтепродуктов». Ответьте на вопрос с чем связаны основные проблемы экологического характера при применении метода ИК спектроскопии для контроля содержания нефтепродуктов в воде? Приведите структурную формулу и основные характеристики токсичности для одного из растворителей из класса хлорфторуглеродов.

3)  Прочитайте статью «Harnessing the Power of FT-IR to Guarantee Water Safety». В статье описаны три альтернативные методики для определения содержания нефтепродуктов в воде. Охарактеризуйте их, заполнив таблицу:

Метод Характеристики	Измерения после проведения экстракции галогенированными растворителями	Экстракция гексаном и измерения в режиме НПВО	Измерения в режиме пропускания в среде циклогексана
Применяемый растворитель
Необходимость предварительного хроматографического разделения
Спектральный диапазон измерений, см-1
Предел обнаружения, мг/л
Преимущества
Ограничения

III. Прочитайте материал про основы техники ИК эксперимента, основы пробоподготовки и проведения измерений. Ответьте на вопросы:

1)  Что такое ИК спектр?

2)  Перечислите основные задачи колебательной спектроскопии и структурной органической химии.

3)  Особенности получения ИК спектров для газов, жидкостей и твердых соединений.

4)  Опишите сущность метода НПВО.

5)  Требования к толщине поглощающего слоя при проведении измерений в режиме НПВО. Глубина проникновения излучения в образец.

6)  Какие характеристики вещества влияют на качество получаемых спектров? Требования к размеру частиц порошка.

7)  Условия прессования таблетки – время и давление.

8)  Техника пробоподготовки и измерения спектров пропускания в суспензиях.

9)  Спектральные характеристики вазелинового масла. Как можно избежать влияния собственных полос поглощения вазелинового масла?

10)  Требования к кристаллам для НПВО.