Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественнонаучные методы судебно-экспертных исследований. Учебное пособие
.pdf
кошачий глаз» служит для получения интерференции определенных длин
30
волн. Луч из интерферометра попадает в выходной оптический узел 4. Свет,
прошедший через образец 5, фокусирующим зеркалом 6 направляется на
фотодетектор 7.
Для получения ИК-спектров требуется провести подготовку образцов.
Для этой цели используют либо растворение с последующим испарением
растворителя на окошке кюветы из KBr (калия бромид), либо прессование
таблеток с KBr (калия бромид). После пробоподготовки регистрируют
спектры поглощения или спектры пропускания.
При достаточной степени измельчения образцов для них можно
получить информативный спектр отражения с помощью специальной
приставки многократно нарушенного полного внутреннего отражения
(МНПВО). Для регистрации спектров использовался кристалл селенида цинка,
позволяющий регистрировать спектры в диапазоне 650–20000 см-1. В нашем
эксперименте для получения спектральной информации изучалась область
650–6500 см-1, так как именно она является наиболее информативной.
Подготовка образцов для снятия ИК-спектров30
Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и
твердых веществ. Для измерения спектров газообразных веществ используют
специальные газовые кюветы. Подготовку образцов к снятию инфракрасных
спектров проводят по следующим методикам.
1. Для твердых веществ:
а) Пасты: тщательно смешивают 10–20 мг твердого вещества с
1–2 каплями иммерсионной жидкости (вазелиновое масло,
полифторуглеводород, гексахлорбутадиен и др.), приготовленную пасту
сдавливают между двумя пластинками из NaCl (хлорид натрия) (или KBr
(бромид калия)) и помещают в спектрофотометр для измерения. Во второй
канал прибора помещают слой иммерсионной жидкости между пластинками
NaCl (хлорид натрия) (или КВr (бромид калия)).
б) Диски с KBr (бромид калия): навеску твердого вещества (1-3 мг)
тщательно смешивают в вибромельнице или в ступке со спектроскопически
чистым бромидом калия (150-200 мг) и смесь прессуют при давлении 7,510 т/кв. см в течение 2-5 мин под вакуумом 2-3 мм рт. ст. Спектр полученного
образца снимают относительно воздуха или относительно диска,
приготовленного из чистого КВr (бромид калия), помещенного во второй
канал прибора.
Органическая химия: учебник / Н. А. Тюкавкина [и др. ] ; под ред. Н. А. Тюкавкиной. - М. : ГЭОТАР-Медиа,
2015. - 640 с.
50
2. Для жидких веществ. Тонкую пленку жидкости зажимают между
пластинками из NaCl (хлорид натрия) (или КВr) или используют кюветы с
малой толщиной слоя (0,01-0,05 мм). Во второй канал прибора помещают
чистую пластинку NaCl (хлорид натрия) (или КВr (бромид калия)) удвоенной
толщины или соответствующие пустые кюветы.
3. Растворы. Раствор исследуемого образца (жидкого или твердого) в
подходящем органическом растворителе (обычно используемые
концентрации приблизительно 0,5–1,5 %) вводят в кювету с толщиной слоя
0,1–1 мм. Спектр раствора снимают относительно чистого растворителя. В
качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый
углерод и хлороформ. Необходимо помнить, что и вазелиновое масло, и
растворители не полностью прозрачны по всей области спектра. Например,
вазелиновое масло сильно поглощает при 3000–2800 см-1, 1460 и 1380 см-1.
Безусловно, важное значение для качественного проведения анализа
методом ИК-спектроскопии является правильный подбор концентрации
исследуемого вещества. Экспериментаторы используются следующим
правилом.
Для проведения структурного анализа оптимальной следует считать
такую толщину слоя (или концентрацию), при которой самые интенсивные
полосы имеют в максимумах поглощение 80–95 %. Обычно это полосы
валентных колебаний С-Н в области 2800–3000 см-1, карбонильной группы
(1700–1750 см-1) и некоторые другие характеристические полосы,
зарегистрированные в справочниках как очень сильные. Однако в некоторых
случаях, например, при поиске слабых полос, приходится повторять съемку
отдельных участков спектра на повышенной толщине слоев.
Качественный и количественный анализ по ИК-спектрам
Определение состава смесей органических и неорганических
соединений (качественный анализ) и установление концентраций
компонентов смеси (количественный анализ) являются одними из важных
задач ИК–спектроскопии.
Для проведения как качественного, так и количественного анализа по
ИК–спектрам необходимо иметь спектры чистых компонентов. При
сравнении спектра со спектром вещества, присутствие которого
предполагается, находят в спектре смеси все полосы поглощения эталонного
вещества. Если спектр анализируемого образца содержит все полосы
поглощения эталонного вещества, можно полагать, что вещество
действительно содержится в образце.
51
В настоящее время имеются атласы и автоматизированные картотеки
спектров, с помощью которых можно отождествить любое соединение, если
оно было раньше известно и для него получен колебательный спектр.
В случае ИК-спектров, так же как и в случае ультрафиолетовых (УФ) и
видимых спектров (ВИ) поглощения, соотношение между пропусканием света
системой и концентрацией поглощающих веществ выражается законом
Ламберта-Бугера-Бера:
D=lg1/T=lg I0/I=ɛ·с·d
где D - оптическая плотность; I0 - интенсивность падающего света; Iинтенсивность прошедшего света; с - молярная концентрация; d- толщина
поглощающего слоя; ɛ- молярный коэффициент поглощения для данного
волнового числа и температуры.
Если закон Бугера–Ламберта–Бера выполняется, что бывает далеко не
всегда, то при фиксированной толщине слоя оптическая плотность линейно
зависит от концентрации вещества, что и позволяет легко проводить
количественный анализ. Отклонения от линейной зависимости бывают
связаны или с межмолекулярными взаимодействиями компонентов смеси
(раствор), включая специфические (ассоциация, водородная связь) и
химические взаимодействия или с инструментальными причинами. Играют
роль также эффекты отражения, рассеяния излучения и т.д. Поэтому всегда
проводится проверка выполнения закона светопоглощения и чаще всего для
проведения количественного анализа строятся градуировочные графики по
эталонам.
Для снижения ошибок количественных измерений рекомендуется
работать с пропусканием в пределах 20 … 60% (оптическая плотность в
пределах ~ 0,1 … 1,0) или, по крайней мере, не выходить за пределы 10 … 80%
пропускания, когда ошибки резко возрастают. При большом поглощении
необходимо уменьшать либо толщину слоя, либо концентрацию.
Преимуществами инфракрасной спектроскопии:
1) Возможность устанавливать природу (функциональный состав)
изъятых с места пожара веществ и материалов:
- каменных неорганических, изготовленных безобжиговым методом на
основе цемента, извести, гипса (бетон и железобетон, силикатный кирпич,
штукатурка,) теплоизоляционные материалы и т.д.
- органических и композитных материалов и их обгоревших остатков
(полимерных материалов, лакокрасочных покрытий, вспененных
теплоизоляционных материалов, тканей и др.);
52
- легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, использованных при
поджогах.
2) Решать идентификационные задачи при исследовании твердых и
жидких веществ и материалов.
3) Давать качественную оценку температуры и степени термического
разложения материала по внешнему виду спектра - наличию в нем
соответствующих полос поглощения и их интенсивности;
4) Производить количественную оценку степени термического
поражения проб материалов для выявления зон термических поражений на
месте пожара, используя спектральные критерии.
Необходимо отметить, что вещества и материалы, изъятые с места
пожара, представляют сложный объект для исследования как методом ИКспектроскопии, так и большинством других аналитических методов:
компактным исполнением;
увеличенной емкостью встроенной памяти;
повышенной эргономичностью;
новым универсальным кюветным отделением;
реализацией усовершенствованных алгоритмов обработки результатов.
низкие пределы определения;
малый расход основных и вспомогательных реактивов;
небольшое время анализа;
высокая селективность;
широкая номенклатура определяемых показателей;
сохранение градуировок в энергонезависимой памяти;
многофункциональность (флуориметр, хемилюминометр, прибор для
измерения фосфоресценции, фотометр, нефелометр).
Во-первых, приходится иметь дело не с индивидуальными веществами,
спектры которых хорошо известны из литературы, а со сложными их смесями,
ИК-спектр которых весьма трудно расшифровывать.
Во-вторых, органические материалы – это, как правило, продукты
глубоких термических превращений (карбонизованные остатки), во многом
утерявшие признаки исходного вещества. И, тем не менее, метод ИКспектроскопии способен давать важную криминалистически значимую
информацию, весьма полезную при поисках очага пожара, установлении
причин пожара, решении некоторых других задач, находящихся в
компетенции пожарно-технического эксперта.
53
Недостатки ИК-спектроскопии:
31
32
По чувствительности метод ИК-спектроскопии существенно уступает
методам ГЖХ и ФС. Поэтому метод ИКС обычно используют, когда жидкость
обнаружена, хотя бы в капельных количествах, например, в брошенных на
месте пожара емкостях и может быть оттуда слита или хотя бы смыта со
стенок небольшим количеством растворителя31.
Также средняя избирательность из-за заметной ширины полос и
невозможность анализировать водные растворы, так как сама вода поглощает
ИК-спектры в широкой области, маскируя сигналы от растворенных веществ.
К настоящему моменту разработаны рекомендации по практическому
применению метода ИК-спектроскопии в исследовании пожаров и пожарнотехнической экспертизе и сформирована база данных.
§ 3.7. Спектроскопия с УФ и видимой областях
Спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой областях света, раздел
оптической спектроскопии, включающий получение, исследование и
применение спектров испускания, поглощения и отражения в
ультрафиолетовой области32, в диапазоне длин волн 10-400 нм, и в видимой
области, в диапазоне длин волн 400-800 нм. Наибольшее применение в
ультрафиолетовой области находит применение в диапазоне 190-400 нм, так
как до 190 нм ультрафиолетовое излучение сильно поглощается воздухом и
требуется применение вакуумной среды.
Спектральные приборы для УФС отличаются тем, что вместо
стеклянных оптических деталей применяют аналогичные кварцевые (реже
флюоритовые или сапфировые), которые не поглощают УФ излучение. Для
отражения УФ излучения используют алюминиевые покрытия. Приемниками
служат обычные или маложелатиновые фотоматериалы, а также
фотоэлектрические приборы, главным образом фотоэлектронные
умножители, счетчики фотонов, фотодиоды, ионизационные камеры. Для
увеличения чувствительности при использовании фотоматериалов иногда
регистрируют флуоресценцию, вызванную исследуемым УФ излучением.
Для возбуждения УФ спектров испускания атомов и молекул служат
пламя, дуга постоянного или переменного тока, низко- и высоковольтные
искры, плазмотроны, разряд в полом катоде, лазерное излучение и др. УФ
спектры поглощения и отражения получают в основном с использованием
Богданов А.А. Повышение эффективности идентификации инициаторов горения, в образцах, изымаемых с
места пожара. В сборнике: Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности и защиты от
чрезвычайных ситуаций. 2019. С. 59-67
Шеков А.А., Зырянов В.С., Унжакова С.В. Методы судебно-экспертных исследований. Учебное пособие /
ИРКУТСК, 2018.
54
таких источников излучения, как дейтериевые (водородные), ртутные,
33
ксеноновые и др. газоразрядные лампы. Используют также нагретые до 3000 К
твердые тела, напр. различные вольфрамовые лампы. Источниками
линейчатых спектров служат спектральные лампы различных конструкций.
Применяют также лазеры, излучающие в УФ области (водородный лазер).
При поглощении молекулой вещества электромагнитного излучения,
соответствующего ультрафиолетовой (180-400 нм) и видимой (400-800 нм)
областям спектра, происходит переход валентных электронов с занятых
орбиталей основного электронного состояния на вакантные орбитали
возбужденного состояния33. Энергия электронного перехода ΔЕ связана с
частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ соотношением
ΔЕ = hν = hc/λ,
где h – постоянная Планка (имеет размерность действия и равна
6,623·10-34 Дж·с/моль), с – скорость света.
Возможны четыре типа электронных переходов со связывающих и
несвязывающих орбиталей основного состояния на разрыхляющие орбитали
возбужденного состояния: σ → σ*, π → π*, n → π*, n → σ*.
Для этих переходов характерны разные значения ΔЕ.
Полосы поглощения, соответствующие σ→σ* - переходам,
проявляются при малых длинах волн (менее 170 нм) и лежат за пределами
рабочего интервала серийных спектрофотометров (190-1000 нм). Алканы и
циклоалканы, содержащие только σ-связи, не поглощают свет в ближней УФ
и видимой областях спектра, и поэтому их используют в качестве
растворителей при съемке спектров других соединений. Наиболее
информативны полосы поглощения, обусловленные π→π* и n→π* –
переходами, особенно в сопряженных системах. Эти полосы поглощения
используют для идентификации и установления структуры соединений,
количественного анализа, контроля за ходом реакции.
Электронный спектр записывается в виде графика зависимости
интенсивности поглощения (оптической плотности А) от длины волны λ,
выражаемой в нм, или волнового числа ν (ν=1/λ), выражаемого в см-1
Характеристикой электронных спектров поглощения в УФ- и видимой
областях, не зависящей от концентрации вещества и длины кюветы, является
график в координатах ε (или lgε) и λ (или ν).
Положение полос поглощения в УФ-спектре зависит от строения
молекулы.
Физико-химические методы исследования и анализа: учебное пособие / Е.И. Короткова, Т.М. Гиндуллина,
Н.М. Дубова, О.А. Воронова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2011 – 168 с.
55
Структурные группы (кратные связи, ароматические фрагменты),
34
обуславливающие избирательное поглощение УФ-света, называются
хромофорами (изолированными или сопряженными). Хромофоры сообщают
окрашенность органическому веществу.
Группировки, не содержащие кратные связи, но вступающие в р,πсопряжение с хромофорами, называются ауксохромами. Ауксохромы
усиливают и часто углубляют цвет красящего вещества.
Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ-области
позволяет определять электронную структуру атомов, ионов, молекул, а также
твёрдых тел. УФ-спектры Солнца, звёзд несут информацию о физических
процессах, происходящих в горячих областях этих космических объектов. На
фотоэффекте, вызываемом ультрафиолетовым излучением, основана
фотоэлектронная спектроскопия. Ультрафиолетовое излучение может
нарушать химические связи в молекулах, в результате чего могут происходить
различные химические реакции. Ультрафиолетовое излучение применяется в
криминалистике для установления идентичности красителей, подлинности
документов и т.п. В искусствоведении – позволяет обнаружить на картинах не
видимые глазом следы реставраций. Способность многих веществ к
избирательному поглощению ультрафиолетового излучения используется для
обнаружения в атмосфере вредных примесей, а также в ультрафиолетовой
микроскопии.
§ 3.8. Люминесцентный анализ
Способность атомов и молекул поглощать энергию, поступающую к
ним извне, вызывает новое энергетическое состояние вещества, которое
называется возбужденным. Избыточная энергия атомов или молекул,
полученная при возбуждении, может быть израсходована на отрыв электронов
– ионизацию вещества; на какие-либо фотохимические реакции; на нагрев
вещества, т.е. переход избыточной энергии в тепловую. Кроме того,
возбужденные атомы или молекулы способны отдавать всю избыточную
энергию или часть ее в виде света. Как правило, большинство твердых веществ
при сильном нагревании светятся. Такое свечение раскаленных тел называют
температурным или тепловым излучением. Чем больше энергии при данной
температуре поглощает тело, тем оно больше ее излучает34.
Люминесцентный анализ: методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу
«Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701,
240702, 240901, 260204 и для специальности 080401 по курсу «Физико-химические методы анализа» всех
форм обучения / Н.В. Степанова, Т.В. Сеношенко, Н.А. Крамаренко, З.В. Татарникова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ.
– Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 20 с.
56
У некоторых веществ наблюдается свечение и без нагревания при
комнатной температуре, которое называют холодным свечением или
люминесценцией. В отличие от температурного люминесцентное излучение
является неравновесным и продолжается относительно долгое время после
прекращения действия внешнего возбуждающего фактора.
Таким образом, люминесценция – свечение вещества после
поглощения им энергии возбуждения:
M∙ ↔ M + hν .
Переходя в более низкое энергетическое состояние, возбужденные
частицы испускают квант света – люминесцируют. Длительность
послесвечения для различных люминесцирующих веществ различна: от
миллиардных долей секунды (для отдельных атомов и молекул) до часов и
даже нескольких суток (для кристаллофосфоров).
Явления люминесценции многообразны по свойствам и
происхождению. Различные виды люминесценции определяются характером
энергии возбуждения, продолжительностью свечения и химическими
свойствами люминесцирующих веществ. В зависимости от вида
люминесценции рассматривают следующие разделы люминесцентного
анализа:
1) фотолюминесценция, или флуоресценция, основанная на свечении
вещества при поглощении лучистой, или световой энергии;
2) катодолюминесценция, вызванная бомбардировкой быстролетящих
электронов;
3) хемилюминесценция – свечение веществ под действием некоторых
химических процессов;
4) триболюминесценция – люминесценция трения и т. п.
Все люминесцирующие вещества имеют общее название люминофоры.
Неорганические люминофоры называют чаще всего просто
люминофорами, а органические – органолюминофорами. Органические и
неорганические люминофоры существенно отличаются по природе свечения.
У первых процессы поглощения возбуждающего света и излучения протекают
в пределах каждой способной люминесцировать молекулы. У вторых, чаще
всего активированных и имеющих кристаллическую структуру, в акте
люминесценции участвуют не отдельные атомы и молекулы, а кристаллы. Эти
люминофоры называют кристаллофосфорами.
Известно два механизма возникновения свечения: 1) свечение
отдельных центров, когда процесс возникновения люминесценции протекает
лишь в одной частице (центр свечения), являющейся как поглотителем
энергии, так и излучателем световых квантов, и 2) рекомбинационные
57
процессы свечения, при которых, как правило, поглощение энергии
осуществляется не теми частицами, которые излучают световые кванты.
По первому механизму осуществляется свечение большинства
органических веществ в растворе, в том числе и внутрикомплексных
соединений органических люминесцентных реагентов с катионами. Свечение
кристаллов с решетками молекулярного типа, например, нафталина, антрацена
и их производных, определяется рекомбинационными процессами. Такое
свечение наблюдается и у сульфида цинка, сульфида кадмия, оксида кальция
и т. п., кристаллические решетки которых обладают некоторыми дефектами,
вызванными внедрением примесей (или активаторов) – ионов тяжелых
металлов. В этом случае в возникновении флуоресценции принимает участие
весь кристалл в целом, такой вид свечения называют свечением
кристаллофосфоров.
В качественном люминесцентном анализе по цвету свечения и
особенно по спектрам люминесценции можно установить присутствие того
или иного вещества в пробе. При сопоставлении спектров люминесценции
пробы и индивидуальных веществ, которые могут входить в состав пробы,
основное внимание обращают на положение максимумов и ширину полос,
наличие и характер их тонкой структуры. Установить присутствие вещества в
пробе по цвету ее свечения или спектру люминесценции - задача непростая.
Сложность этой задачи обусловлена тем, что многие вещества обладают
одинаковым (с точки зрения восприятия человеческим глазом) свечением, а
спектры их люминесценции состоят из широких, размытых полос.
В этом случае нельзя рассчитывать на успешную идентификацию
веществ. Лишь немногие вещества обладают достаточно четкими и
характерными спектрами люминесценции, позволяющими надежно
установить их присутствие в пробе. К ним относятся соединения урана (VI),
лантаноидов, бензопирены, порфирины и др.
При наличии в пробе нескольких люминофоров обычно проводят
процедуру их разделения, используя чаще всего методы экстракции и
хроматографии. Селективно возбуждая спектры люминесценции отдельных
компонентов, в некоторых случаях удается провести качественный анализ
многокомпонентных проб, минуя процедуру предварительного разделения
компонентов.
На основании изучения спектров люминесценции можно сделать
некоторые выводы относительно химической структуры исследуемого
вещества, а также проследить за изменением, претерпеваемым веществом во
времени. Для обнаружения веществ, не обладающих собственной
люминесценцией, используют реакции, приводящие к образованию
58
люминофоров, – так называемые люминесцентные реакции. Иногда наличие
искомого вещества в пробе удается установить по частичному или полному
тушению люминесценции вспомогательного люминофора, введенного в
пробу.
Количественный люминесцентный анализ базируется на зависимости
между интенсивностью люминесценции If (отн. ед.) и содержанием
люминофора в пробе (с):
If = k · c ,
где If - интенсивность люминесценции;
с - молярная концентрация, моль/л;
k – коэффициент, зависящий от природы вещества.
Эта зависимость соблюдается лишь в том случае, если содержание
определяемого компонента в пробе не превышает некоторого порогового
значения:
10-4 …10-3 М (для жидких проб);
10-4 …10-3 % (для твердых проб).
Проведение количественного люминесцентного анализа осложняется
тем, что интенсивность люминесценции зависит не только от содержания
определяемого вещества в пробе, но и от ряда других факторов: тушения
люминесценции, значения рН среды, массовой доли комплексонов и др. В
связи с этим, следует строго соблюдать все рекомендации, касающиеся
подготовки проб, а также условия возбуждения и регистрации спектров
люминесценции.
Чаще всего для возбуждения люминесценции используют источники
ультрафиолетового (УФ) излучения. Если же люминофор обладает
интенсивным поглощением в видимой области спектра, то для возбуждения
его люминесценции можно использовать лампу накаливания. В настоящее
время для возбуждения люминесценции все чаще используют лазерное
излучение.
Люминесцентный метод анализа, так же, как и фотометрический метод,
относятся к группе оптических методов анализа, и потому они имеют много
общего. Однако по сравнению с фотометрией люминесцентный метод имеет
существенные преимущества. Прежде всего, чувствительность
люминесцентного метода гораздо выше чувствительности фотометрического
метода. Это связано с тем, что в люминесцентном методе определяют
абсолютную величину светового потока, испускаемого возбужденной
молекулой, и, таким образом, отношение полезного сигнала к шуму очень
велико. В противоположность фотометрическому методу (где измеряется
величина отношения двух световых потоков) в люминесцентном методе
59
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]