Преимущества метода ик-спектроскопии
Является молекулярно-специфичным, что позволяет получать информацию о функциональных группах в молекуле – их типе, взаимодействиях и ориентациях
Является селективным по отношению к изомерам, благодаря «области отпечатков пальцев»
Является методом количественного недеструктивного анализа, даже по отношению к неустойчивым соединениям. Позволяет определять содержание от 0.1% до 100%.
Метод позволяет получать информацию о твердых, жидких и газообразных веществах, о поверхностях, о локальных областях и слоистых структурах
Комбинационное рассеяние света
При прохождении света через вещество рассеяние света отмечается только на неоднородностях среды, оно становится существенным, когда эти неоднородности по своим размерам приближаются к длине волны падающего света. Одним из видов неоднородностей в чистом веществе могут быть флуктуации плотности, возникающие вследствие теплового движения молекул. Рассеяние, происходящее на флуктуациях плотности, называется молекулярным или рэлеевским, оно происходит без изменения частоты рассеянного света (по сравнению с падающим). Сущность же комбинационного рассеяния состоит в появлении в спектре рассеянного света новых частот, являющихся комбинациями частот падающего излучения и собственных частот молекулы (колебательных и вращательных). Эти новые частоты в спектре рассеяния (которые зависят от строения молекулы) и называются спектром комбинационного рассеяния. Рассеяние, происходящее на флуктуациях плотности, называется молекулярным или рэлеевским, оно происходит без изменения частоты рассеянного света (по сравнению с падающим). Сущность же комбинационного рассеяния состоит в появлении в спектре рассеянного света новых частот, являющихся комбинациями частот падающего излучения и собственных частот молекулы (колебательных и вращательных). Эти новые частоты в спектре рассеяния (которые зависят от строения молекулы) и называются спектром комбинационного рассеяния
КРС было открыто Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в 1928 г. при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях. В зарубежной литературе комбинационное рассеяние света обычно называют эффектом Рамана.
Основные физические принципы, на которых строится классическая теория комбинационного рассеяния света, могут быть сформулированы следующим образом:
Исследуемое вещество облучается световой волной с частотой, на которой данное вещество не поглощает, т.е. квант света недостаточно велик, чтобы перевести молекулу в возбужденное электронное состояние.
При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом происходит поляризация молекулы, ее деформация в поле электромагнитной волны, когда электроны молекулы сдвигаются в одну сторону, а положительно заряженные ядра – в другую. Молекула приобретает энергию Е.
Из поляризованного состояния молекула возвращается не на первоначальный, а на какой-то другой энергетический уровень.
Спектр рассеянного света содержит, кроме спектральных линий, характеризующих падающий на среду свет, дополнительные линии, симметрично расположенные с низкочастотной и высокочастотной сторон около спектральных линий первичного света (стоксовская и антистоксовская компоненты рассеяния) (рис.)
Обычно эти дополнительные комбинационные линии соответствуют изменениям во вращательном и колебательном движении атомов в молекуле или в кристаллической решетке.
В отличие от люминесценции, которая также представляет собой вторичное излучение с измененной частотой, при комбинационном рассеянии света рассеивающая система не переходит в возбужденное состояние на конечные (хотя бы и малые) интервалы времени.
Спектры комбинационного рассеяния являются одним из случаев молекулярных спектров, в которых проявляется строение и состав молекулы. Спектроскопия комбинационного рассеяния широко используется в химии и биохимии как аналитический метод.
Установки для получения спектра КРС достаточно просты. Спонтанное комбинационное рассеяние – слабый эффект. Трудности в получении спектров КРС интересующего вещества связаны с малой интенсивностью линий комбинационного рассеяния (10-5 – 10-6 от интенсивности возбуждающей линии).
В настоящее время типичная экспериментальная установка для регистрации спектров комбинационного рассеяния света, как правило, содержит следующие основные блоки: источник возбуждения (лазер или ртутная лампа), осветитель, спектральный прибор (монохроматор), фотоприемник, систему регистрации. В качестве источника возбуждения могут использоваться мощные ртутные лампы низкого давления. В спектре ртути в дуговом разряде имеется несколько сильных линий в видимой и УФ областях спектра. Каждая из них дает свою систему линий комбинационного рассеяния, к сожалению, частично перекрывающихся. Основные преимущества лазерных источников возбуждения по сравнению с разрядными лампами – это отсутствие непрерывного фона и излучение единственной интенсивной и узкой (≈ 0.1 см-1) линии.
На рис. представлена установка для снятия спектров КРС. В качестве источника света используется ртутная лампа, излучение которой фокусируется в кювету с исследуемым веществом с помощью эллиптического осветителя. Основное назначение осветителя – оптимальное использование возбуждающего излучения с целью получения максимального светового потока, согласованного с геометрией спектрального прибора. В установке реализована наиболее часто используемая в спектроскопии комбинационного рассеяния регистрация рассеянного света под 90° (почему?). Свет, рассеянный исследуемым веществом, попадает на входную щель призменного монохроматора. Спектральный прибор должен обладать максимальной оптической светосилой, т.е. обеспечивать минимальные потери регистрируемого светового потока. После монохроматора через выходную щель рассеянный свет попадает на ФЭУ (фотоэлектронный умножитель). Фотоприемник и система регистрации должны обеспечивать получение испектров комбинационного рассеяния с наилучшим отношением полезного сигнала к шуму. Интенсивность рассеянного света записывается с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и компьютера. Развертка спектра обеспечивается поворотом диспергирующих призм с помощью специального электродвигателя. Для калибровки используется спектр упругого рассеяния ртутной лампы.
Преимущества КРС спектроскопии
Правила отбора для ИК и КРС спектроскопии различаются. В ИК поглощении важно изменение величины дипольного момента под действием возбуждающего излучения. В спектре КР нормальное колебание будет активно, если оно приводит к изменениям поляризуемости молекул. Поэтому некоторые колебания могут быть активными только в ИК либо только в КРС спектрах (полностью симметричные колебания являются активными в КРС)
Некоторые колебания по своей природе слабы в ИК и сильны в спектрах комбинационного рассеяния (растяжение-сжатие С≡С, C=C, C=P, S—S, S—P связей)
Обычно диаметр лазерного пучка составляет 1–2 мм и следовательно необходима небольшая площадь образца для получения КРС спектра
Неразрушающий характер анализа методом КРС дает возможность исследовать молекулярную структуру биополимеров
Поскольку вода практически не даёт вклада в спектр КРС, можно легко получать КРС спектры различных водных растворов без серьёзных помех
Спектры КРС гигроскопичных или воздушно-чувствительных образцов могут быть получены путём размещения образцов в герметичной стеклянной трубке (стекло также «прозрачно» для КРС)
Применение в качестве источника возбуждающего излучения лазера с частотой в ближней ИК-области практически полностью устраняет флуоресценцию образца
Быстрая съемка спектров КРС позволяет избежать термической деструкции образца
Рис.
Схема экспериментальной установки для
измерения комбинационного рассеяния
при взаимодействии излучения с
веществом