2.3. Теоретические основы инфракрасной спектроскопии. Использование метода для анализа пищевых продуктов

Инфракрасное (ИК) излучение осуществляется в приборах, где источником являются стержни из углеродистого кремния, испускающие при нагревании лучи частотой в диапазоне 10–10 000 см^-1. Фундаментальная ИК-спектроскопия обычно ограничивается диапазоном частот от 5000 до 200 см^-1.

Схема установки для ИК спектроскопических исследований представлена на рис. 2.6.

При анализе ИК спектров оперируют также понятием волнового числа (ν), которое показывает, сколько раз данная волна уместится на отрезке длиной 1 см.

Инфракрасное излучение сообщает молекуле энергию, которая необходима для переходов между вращательными и колебательными уровнями, как это показано на рис. 2.7. При этом для перехода с одного вращательного уровня на другой требуется небольшая энергия (10^-3…10^-2 ккал/моль), поэтому такие переходы осуществляются излучением в микроволновой области (0,1– 100 см^-1).

Колебательный переход, нуждающийся в значительно больших затратах энергий (до нескольких ккал/моль), сопровождается массой вращательных переходов, для каждого из которых характерна своя спектральная линия. При слиянии этих линий и образуются ИК полосы спектра, который следует считать колебательно-вращательным в зависимости от характера возбуждаемых связей.

Рис. 2.6. Схема установки для ИК спектроскопических исследований:

1 – источник излучения; 2 – кювета; 3 – монохроматизатор; 4 – приемник; 5 – регистрирующее устройство

Рис. 2.7. Кривые потенциальной энергии и уровни энергии двухатомной молекулы

При облучении пищевого образца ИК светом с переменной частотой моле-кулой поглощаются только определенные участки спектра, вызывающие растя-жение или изгиб соответствующих связей.

При регистрации интенсивности излучения в зависимости от волновых чисел получают кривую с полосами поглощения – ИК спектр.

Пики ИК спектра соответствуют колебанию соответствующей связи, как это условно изображено на рис. 2.8.

С – Н

С = О

Рис. 2.8. Типовая картина ИК спектра в диапазоне частот 3600–1000 см^–1

Рис. 2.9. Формы колебаний молекулы воды: а, б – валентные; в – деформационное

Проявляющиеся на ИК спектрах сложных молекул колебания могут быть валентными (атомы сближаются и удаляются друг от друга относительно рав-новесного положения согласно теории осциллятора) и деформационными (со-провождаются изменением валентных углов между атомами).

Стрелки на рис. 2.9 показывают направление смещения ядер из равновес-ного положения. На рис. 2.9, а, б можно видеть, что в результате колебаний происходит изменение длины валентной ОН- связи при практически постоянной величине угла НОН. Это валентные колебания ν₁ и ν₂. На рис. 2.9, в колебание атомов вызывает изменение угла НОН. Такое колебание называют деформационным (обозначают δ).

При идентификации характеристических частот весьма важным условием является постоянство условий эксперимента (температура, концентрация, чис-тота разбавителя и т.п.), оказывающее влияние на положение характеристи-ческих полос.

Проведение исследований основывается на сопоставлении спектральных пиков с областью характеристических частот соответствующих групп анализи-руемого соединения, занесенных в специальные атласы и таблицы.

Последние включают ИК спектры ≈ 25 000 соединений, что значительно облегчает поиск.

Анализ жиров методом инфракрасной спектроскопии

Объектами ИК исследования жировых продуктов являются:

– масла и твердые жиры растительного и животного происхождения;

– моно- , ди- и триглицеридные смолы;

– жирные кислоты – циклические, полимеризованные, разветвленные, а также их производные.

Такие исследования позволяют:

– фиксировать изменения качества жира под влиянием температуры, ионизирующих лучей и света;

– определять глубину протекания химических процессов в животных жирах при производстве и хранении.

Например, по факту увеличения интенсивности полос поглощения либо длины базисных линий можно судить об окислении животных жиров.

Базисная линия – касательная к спектру в ближайшем окружении анали-тической полосы.

В табл. 2.2 сведены основные колебания групп, входящих в состав жиров. Наличие жиров вблизи соответствующих частот свидетельствует о наличии специфической структуры жиров, а увеличение интенсивности полос – о проте-кающих в жирах процессах окисления либо накопления тех или иных соеди-нений.

Так, из табл. 2.2 видно, что присутствие воды в говяжьем жире характе-ризуется наличием слабых полос в области 3740–3590 см^-1; если вода связывается в ассоциаты, ассоциированные ОН-группы должны проявиться в области ≈ 3500–3400 см^–1.

Таблица 2.2