Приборы для метода ик-спектроскопии

Измерение ИК-спектров поглощения производят при помощи специ­альных одно- или двухлучевых спектрофотометров. Разница между двумя типами приборов заключается в следующем: при работе на однолучевом приборе для получения спектра поглощения исследуемого соединения необходимо снять кривую излучения источника, пропущен­ного через кювету с исследуемым веществом и отдельно через кюве­ту, затем необходимо найти отношение координат двух кривых в каж­дой точке. Следовательно, работа на однолучевом приборе требует большой обработки полученных спектров. При работе на двухлучевом приборе спектр поглощения получается непосредственно в координа­тах частота - процент пропускания.

Основные узлы обоих типов приборов - источник излучения, монохроматор, приемник излучения и измерительная часть. Рассмот­рим кратко особенности этих узлов. В качестве источников излуче­ния в ИК-спектроскопии в основном используется штифт Нернста и силитовый стержень-глобар. Штифт Нернста - это стержень сечением 1,5-2 мм и длиной 30 мм, состоящий из смеси окислов циркония, тория, церия и др. Этот источник дает интенсивное избира­тельное излучение в средней ИК- области (от 5 до 16 мк). Другой источник - силитовый стержень - глобар длиной 10 см изготовляет­ся из карбида кремния. Дает интенсивное излучение в области боль­ше 16 мк, а в близкой и средней области интенсивность излучения меньше, чем у штифта Нернста.

Для фокусировки лучей в оптической системе ИК-спектрофотометров используются только зеркала, а не линзы. Это объясняется невозможностью изготовления универсальной линзы, пригодной для всех участков в широкой области спектра.

Для диспергирования ИК-лучей обычно применяют призмы, а в некоторых приборах для решения определенных задач - дифракционные решетки. Призмы изготовляются из прозрачных для ИК-лучей монокристаллов галоидных солей щелочных и щелочноземельных элементов (LiF, КВг, NaС1). Кроме того, в области от границы видимого спектра до 4000 см^-1 используются призмы из стекла, а до 3400 см^-1 - из кварца.

В качестве приемников излучения в инфракрасной спектроскопии в основном применяются два типа тепловых индикаторов: термо­элементы и болометры. Первые представляют собой несколько после­довательно соединенных термопар, иногда называемых термостолбиками. В основе их действия лежит явление термоэлектричества. Спаи термопар расположены так, что одни из них (например, четные) под­вергаются действию излучения источника, а другие (нечетные) на­ходятся при постоянной температуре. При этом возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой зависит от интенсивности пада­ющего излучения.

Болометр - прибор для измерения энергии излучения. Термо­чувствительные элементы болометров обычно изготовляют из тонких слоев полупроводника (или металлов, диэлектриков), толщиной в несколько микрон или долей микрона.

Под действием падающего излучения в приемниках возникает постоянный ток низкого напряжения, которое может быть измерено с помощью гальванометра чувствительностью 10^-8 – 10^-9 в. Но приме­нение такого прибора крайне неудобно. Поэтому в современных при­борах возникающий в приемниках излучения ток усиливается, затем поступает на потенциометр самописца, перо которого выписывает спектральную кривую пропускания.

Более подробное описание узлов спектрофотометров и принципов их действия приведено во всех инструкциях, прилагаемых к выпускаемым приборам.

Наиболее совершенным двухлучевым спектрофотометром изготов­ляемым серийно отечественной оптико-механической промышленностью, является прибор ИКС-14А, предназначенный для регистрации спектров поглощения в области от 0,75 до 25 мк. Этот диапазон перекрыва­ется четырьмя призмами: из стекла, фтористого лития, хлористого натрия и бромистого калия. Источник излучения - глобар, приемник -болометр, смена призм - ручная.

Приготовление образцов. Кюветы и оптические, материалы для спектральных исследований

Успешное применение метода ИК-спектроокопии при исследованиях твердых и жидких систем во многом зависит от качества твердых образцов, которые должны иметь достаточно большую удельную по­верхность и хорошее пропускание. Последнее зависит от размера частиц, показано, что при диаметре частиц меньше чем длина волны ИК-лучей в тонком слое возможно получить спектр поглощения хорошего качества. Обычно это достигается, если диа­метр частиц не превосходит 5 мк. Но, как правило, простым меха­ническим размалыванием очень трудно получить частицы оптимального размера. В настоящее время для приготовления образцов, пригодных для ИК-спектроскопии существует несколько методов.

Метод прессования образца с инертным носителем можно подразделить на два варианта: I) метод совмест­ного- прессования с КВr; 2) метод нанесения твердого вещества на инерт­ную подложку и прессования полученной смеси в таблетки.

В первом случае тонко измельченные порошки твердого тела и оптически чистого КBr - предварительно просеянного через сито 250-300 меш и высушенного при 120-130° С в течение 48 ч прессуются под большим давлением (до 10 т/см²) в прозрачные диски. Для одной пластинки диаметром 20 мм необходимо ориентировочно 150-300 мг КВг и 1-5 мг твердого вещества. Последний может быть приготов­лен по методу седиментации.

Этот метод в последнее время критикуют некоторые исследо­ватели, доказывающие, что в системе КBr – твердое вещество возможна химическая реакция между компонентами.

Более широко распространен второй метод приготовления твердого вещества для спектральных опытов, сущность которого заключа­ется в следующем. Порошкообразный кремнезем (аэросил) или γ-Al₂O₃, имеющие большую удельную поверхность (300-400 м² /г), смешивают с твердым веществом, затем полученный сухой порошок размалывают в определенную навеску (обыч­но 15-30 мг на 1 см² геометрической поверхности образца), прес­суют под определенным давлением в таблетки. Последние загружают в вакуумную кювету, в которой производят соответствующие обра­ботки (разложение, восстановление, окисление, откачка). Как пра­вило, хорошее пропускание достигается, если вес твердого вещества в таблетке не превышает 10 % от веса взятого носителя.

Необходимо однако отметить, что γ-Al₂O₃ является химически довольно активным веществом, способным адсорбировать на своей по­верхности реагирующие вещества, полосы поглощения которых могут быть ошибочно отнесены к частотам колебания поверхностных соеди­нений, образующихся на твердом веществе. Кроме того, окись алюминия может также влиять на адсорбционные свойства самого твердого вещества. Поэтому прежде чем применять γ-Al₂O₃ в качестве носителя, нуж­но убедиться в его индиферентности к остальным компонентам изу­чаемой системы.

Аэросил является химически более инертным соединением, одна­ко имеет собственные интенсивные полосы поглощения, которые иск­лючают спектральную область ниже 1400 см^-1 из исследования. Кроме того, следует иметь в виду, что аэросил в больших количествах адсорбирует воду и некоторые другие соединения, полосы поглоще­ния которых должны быть учтены при расшифровке спектра.

Для получения спектров поглощения образцы загружают в ва­куумную кювету, позволяющую вести откачку, термическую обработ­ку образца. В настоящее время известны кюветы самой различной конструк­ции. При ее выборе исследователь должен исходить из конкрет­ных условий и задач эксперимента.

Общее требование, предъявляемое к спектральной кювете и к сочлененной с ней вакуумной установке, заключается в обеспечении стерильных условий для опытов, т.е. в исключении возможности по­падания паров посторонних веществ на катализатор, в результате чего в спектре могут появиться так называемые паразитические по­лосы поглощения, не имеющие никакого отношения к изучаемому про­цессу (пары вакуумной смазки со шлифов, кранов, масло из насосов и др.). Поэтому желательно иметь цельноспаянные установки, или вместо обычных вакуумных кранов применять металлические вентили, затворы и др.

Весьма ответственным этапом и сложной операцией является выбор и способ крепления оптически прозрачных пластинок – «око­шеек» к вакуумным кюветам. При этом также следует исходить ив кон­кретных условий эксперимента. Пластинки из КВг и NaС1 пропускают в широком спектраль­ном диапазоне, поэтому они являются наиболее универсальными и часто применяемыми, однако из-за большой растворимости в во­де и склонности к помутнению они крайне неудобны и в случае присутствия паров воды или других агрессивных веществ не применимы.

LiF и СаF₂ значительно меньше растворяются в воде, поэтому им можно отдать предпочтение, если изучаемые частоты находятся в пределах пропускания этих пластинок.

Менее распространенными материалами, но обладающими некото­рыми преимуществами, являются пластинки из монокристаллов бромисто­го таллия- йодистого таллия (KRS-5), бромистого таллия - хлористого таллия (KRS-6) и кремния. Они пропускают в широком спект­ральном диапазоне и плохо или вовсе не растворяются в воде. Кро­ме того, пластинка из кремния может быть спаяна с кюветой (из стекла пирекс), и поэтому позволяет записывать спектры при повы­шенных температурах без охлаждения места соединения окошка с кюве­той. Недостатки этих пластинок - их высокая стоимость и меньшая величина пропускания 50-60%.

Обычно пластинки прикрепляют к кювете при помощи различных клеев, замазок или смол ( БФ, суперцемент, эпоксидная и глифталевые смолы, пицеин и др.), обеспечивающих вакуумноплотное присое­динение окошек. Следует однако иметь в виду, что некоторые из этих материалов имеют довольно высокую упругость пара (например, пи­цеин), который может адсорбироваться на твердых веществах, приводя к появлению паразитических полос поглощения.

В заключение нужно отметить, что в настоящее время универсальных правил для получения хороше­го ИК-спектра жидких и твердых веществ, смесей, систем нет. Все эксперимен­тальные условия: выбор методики получения и концентрации жидких и твердых веществ, давления и продолжительности прессования таблеток подбираются эмпирическим путем.

11. Применение хроматографии для исследования углеводородных систем. Классификация методов хроматографии: адсорбционная, распределительная, осадочная хроматография

Применение газовой хроматографии для исследования углеводородных систем

Впервые идею хроматографического метода высказал русский ученый-ботаник Михаил Семенович Цвет в использовании для разделения веществ их различную степень адсорбироваться на адсорбенте (избирательная адсорбция).

В 1903 г. М. С. Цвет опуб­ликовал в трудах Варшавского общества естествоиспытателей статью, в которой сформулировал принцип нового метода и на­глядно показал возможность отделения зеленой части хлорофил­ловых пигментов листьев (хлорофиллинов) от желтой (ксанто-филлинов) и от оранжевой (каротина) с помощью адсорбентов. В более поздних работах М. С. Цвет значительно усовершенст­вовал свой метод и дал ему необходимое теоретическое и экспе­риментальное обоснование. Однако не всем исследователям уда­валось воспроизвести опыты М. С. Цвета при его жизни и вскоре этот метод был предан забвению.

О его методе вспомнили через 27 лет после его открытия немецкие биохимики Кун, Ледерер и Винтерштейн, которые в 1930 г. успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хро­матография стала развиваться в самых разнообразных направле­ниях и со временем приобрела характер самостоятельной научно-технической дисциплины, претерпев, таким образом, второе рож­дение.

Хроматографический метод, как показывает его название, пред­назначался для исследования окрашенных веществ. Однако уже на заре развития метода М. С. Цвет высказал предположение, что его метод применим не только к окрашенным, но и к бесцвет­ным веществам. Но первоначально применению хроматографии для разделения бесцветных веществ мешало отсутствие прибо­ров, с помощью которых можно было бы контролировать в ходе опыта процесс разделения,— детекторов.

В настоящее время раз­работаны детекторы, позволяющие анализировать самые разно­образные соединения. В простейшем варианте метода Цвета исследуемый раствор окра­шенных веществ фильтруют под не­большим разрежением, создавае­мым водоструйным насосом, через стеклянную колонку, заполненную бесцветным адсорбентом, затем про­являют хроматограмму чистым рас­творителем. При правильно постав­ленном эксперименте вдоль колонки появляется ряд окрашенных попе­речных полос, содержащих разде­ленные компоненты исследуемой смеси.

Проведение хроматографического опыта в таком простейшем ва­рианте видно из рис. 1.

Современная хроматографическая установка включает раздели­тельную колонку, термостат, детек­тор, блоки управления и другие вспомогательные приспособления.

Рис. 1. Хроматограмма хлорофилловых пигментов по М.С. Цвету

Начиная с 1931 г. число публи­каций, посвященных применению хроматографии, с каждым годом увеличивалось, прежде всего в биохимии. Это можно объяснить тем, что биохимикам чаще приходит­ся исследовать термически неустойчивые биологически активные материалы и хроматография здесь оказалась наиболее эффектив­ным методом исследования их состава.

Кроме того, все работы М. С. Цвета были опубликованы в биологической литературе, вследствие чего химикам его метод долгое время оставался неиз­вестным. Кроме хлорофилловых пигментов этим методом были ус­пешно разделены и выделены в чистом виде другие биологически активные вещества: витамины, ферменты, гормоны, энзимы, амино­кислоты, алкалоиды.

Применение хроматографии в органической, неорганической и аналитической химии началось значительно позднее, чем в био­логии. Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 г. и принадле­жат Швабу и его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анио­нов на стеклянной колонке с оксидом алюминия, причем техника проведения анализа почти не отличается от той, которую приме­нял Цвет.

Значительные успехи в разделении и анализе неоргани­ческих веществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии были введены в качестве адсорбентов ионообмен­ные смолы. Стимулом к этому послужила задача изучения ток­сичности радиоактивных продуктов расщепления урана и плутония при атомном взрыве и в атомном реакторе. Такими продуктами являются соединения редкоземельных элементов с примесью их радиоактивных изотопов. Применение хроматографии на ионо­обменных смолах в качестве адсорбентов позволило выделить почти все эти продукты и подробно изучить биологическую актив­ность и другие физико-химические свойства каждого продукта в отдельности, что сыграло большую роль в развитии атомной и ядерной техники.

Кроме ионообменной хроматографии, для разделения и ана­лиза катионов и анионов советские ученые Е. Н. Гапон и Т. Б. Гапон в 1948 г. предложили осадочную хроматографию. В этом варианте метода Цвета формирование хроматограмм обусловлено не различием адсорбируемости или коэффициентов распределения, а процессом образования осадков и различием в их растворимости. Это и вызывает разделение тех ионов, которые вошли в состав осадков при реакции с реактивом-осадителем, нанесенным на сор­бент хроматографической колонки или на фильтровальную бумагу.

Хроматографический анализ органических веществ развивался попутно с хроматографией неорганических веществ. В 1935— 1936 гг. появились первые сообщения об успешном применении метода Цвета в анализе синтетических красителей. Из жидкофазных вариантов хроматографии наиболее широкое применение в органической и биологической химии получила бумажная хрома­тография.

Это тонкий микрометод, позволяющий разделять смеси нескольких десятков компонентов на полоске пористой бумаги, которая выполняет роль хроматографической колонки. Хроматограмма получается в виде пятен, окраска которых соответствует природной окраске разделяемых компонентов смеси. При анализе бесцветных веществ пятна проявляют, опрыскивая бумагу реак­тивом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Например, при определении аминокислотного состава белков после их гидролиза бумагу опрыскивают раствором нингидрина, в результате чего на поверхности бумаги появляются пятна розового цвета, соответствующие индивидуальным амино­кислотам. Если разделяемые бесцветные вещества обладают способностью к флуоресценции, бумагу облучают уль­трафиолетовыми лучами (кварцевой или ртутной лампой) и тогда хроматограмма становится видимой. Этот случай можно наблю­дать при разделении смеси антрахинонов, пятна которых в ультрафиолетовом свете ртутной лампы окрашены в сине-фиолетовый цвет.

Аналогичная картина разделения веществ (в основном органи­ческого происхождения) получается на стеклянной пластинке, покрытой слоем мелкодисперсного сорбента (оксида алюминия, силикагеля, целлюлозы, крахмала и др.). Это так называемая тонкослойная хроматография, получившая за последние годы широкое применение в химии и особенно в биохимии благо­даря значительно большей скорости выполнения анализа по сравнению с бумажной хроматографией. Кроме того, методом тонкослойной хроматографии можно разделять примерно на поря­док большие количества смесей без существенного ухудшения ка­чества разделения. Это преимущество позволяет применять тонко­слойную хроматографию как препаративный метод выделения индивидуальных продуктов из сложной смеси в чистом виде. Несмотря на широкие возможности применения, жидкофазная хроматография ни в колоночном, ни в бумажном, ни в тонко­слойном варианте не могла удовлетворить требования быстро развивающейся (в отмеченный период) науки и промышленности.

Химическая промышленность синтетических материалов и пласт­масс, использующая в качестве сырья в основном смеси природ­ных газов, требовала эффективных методов анализа. Старые хи­мические методы анализа ни в коей мере не могли решить эту задачу, что и послужило толчком к развитию газовой хромато­графии, получившей широкое применение в контроле производства и научных исследованиях, особенно в нефтехимии. Однако и жидкофазная хроматография, особенно колоночная молекулярная, не потеряла своего значения. За последние годы наблюдается ее возрождение благодаря значительным успехам в области хроматографического приборостроения. Созданы совершенные жидкофазные хроматографы с высокочувствительными детекторами и автоматической записью хроматограммы, аналогично тому, как это происходит при анализе смесей на газовых хроматографах.

В настоящее время высокоэффективная, высокоскоростная жидкостная хроматография широко применяется для анализа малолетучих высокомолекулярных и нетермостабильных соеди­нений. Это возрожденный открытый М. С. Цветом вариант моле­кулярной жидкостной хроматографии, модернизированный путем использования новых высокоэффективных сорбентов, высоких дав­лений на входе в колонку, высоких скоростей элюента и авто­матического детектирования.

Лекция 7