Інфрачерво́наспетроскопі́я,

ІЧ спектроскопі́я — різновид молекулярної оптичної спектроскопії, оснований на взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням в ІЧ діапазоні: між червоним краєм видимого спектра(хвильове число 14000 см⁻¹) і початком короткохвильового радіодіапазону (20 см⁻¹).

ІЧ спектри виникають при поглинанні ІЧ випромінення на частотах, що збігаються з деякими власними коливальними і обертальними частотами молекул або з частотами коливань кристалічної ґратки речовини. ІЧ спектри отримують за допомогоюспектрометрів різних типів, робочий діапазон яких знаходиться в межах так званої фундаментальної ІЧ області (400 см⁻¹ — 4000 см⁻¹).

На основі ІЧ спектрів можна проводити якісний та кількісний аналіз речовини.

Інфрачервона спектроскопія дозволяє отримувати спектри речовини у всіх її агрегатних станах.

Інфрачервана спектроскопія відбивання використовується при дослідженні твердих тіл, особливо монокристалів. Для зразків із сильним поглинанням і поверхневих сполук розроблений так званий метод порушеного повного внутрішнього вібиття. Найпоширенішим способом підготовки зразків для інфрачервоної спектроскопії є пресування зразку в таблетку з KBr.

Методи, які ґрунтуються на використанні магнітного поля

це

Спектроскопія ядерного магнітного резонансу та Мас – спектрометрія.

В магнітній системі (макро- та мікроскопічній) завжди є два різних за знаком, але рівних за абсолютним значенням магнітних заряди, розділених деякою відстанню.

Така магнітна система є магнітним диполем та при переміщенні у зовнішнє магнітне поле з напругою Н намагається розташуватися паралельно силовим лініям прикладеного поля.

Сила, що орієнтує вільний диполь в магнітному полі, може або втягувати його в область більш сильного поля, або виштовхувати в залежності від того, співпадають або не співпадають напрямки вектору, що характеризує дипольний момент, та градієнту поля dH/dx.

Елементарними носіями магнітних властивостей є магнітні диполі.

Спектроскопія ядерного магнітного резонансу

(ЯМР- спектроскопія) – фізичний метод, який ґрунтується на реєстрації індукованих радіочастотним полем переходів між ядерними магнітними енергетичними рівнями молекул речовини, поміщеної в постійне магнітне поле. Магніт викликає розщеплення рівнів магнітних ядер, тобто створює необхідні умови для поглинання радіочастотного (область великої довжини хвиль) випромінювання досліджуваною речовиною.

Виникнення спектра ЯМР будь – якої сполуки безпосередньо пов’язане з різницею енергії (ΔE) між двома сусідніми енергетичними рівнями.

По суті, експеримент ЯМР полягає в тому, щоб надати енергію ядру і перевести його з одного енергетичного рівня на інший, більш високий. Оскільки точне значення

ΔE залежить від молекулярного оточення ядра, що збуджується, ми отримуємо змогу пов’язати величину ΔE з будовою молекули і визначити структуру цієї молекули.

Якщо речовину помістити між полюсами потужного магніту, то в перший момент після внесення зразка в поле число ядер, орієнтованих вздовж поля і проти поля, однакове (по 50% від загального числа).

Внаслідок обміну енергією між системою ядер («спінів») та їх оточенням («решіткою») число ядер на нижньому енергетичному рівні досить швидко зростає до величини, трохи більшої за 50% від їх загального числа.

З виразу ΔE=hv витікає, що має існувати така частота електромагнітного випромінювання, яка (будучи помножена на константу Планка h) виявиться рівною різниці енергій між більш високим енергетичним станом ядра (при орієнтації проти магнітного поля) і більш низьким його станом (при орієнтації вздовж поля).

Якщо на ядро подіяти електромагнітним випромінюванням з саме такою частотою, воно буде взаємодіяти з випромінюванням і змінить свій енергетичний стан.

У результаті відбудеться поглинання електромагнітного випромінювання. Саме це поглинання і викликає сигнал ЯМР.

Точне значення частоти, яка викликає перехід між енергетичними рівнями ядра, називають резонансною частотою цього ядра (в заданому магнітному полі).

Хімічний зсув або поглинання на резонансній частоті є основною характеристикою протонного магнітного резонансу і залежить від структури молекули. На величину хімічного зсуву впливають внутрішні чинники, з одного боку, електронна густина біля протону, з іншого – вторинні магнітні поля, які виникають у результаті циркуляції електронів у сусідніх атомах і зв’язках.

Обидва чинники безпосередньо пов’язані зі структурою молекули. Хімічний зсув може змінюватись і від зовнішніх чинників: розчинника, концентрації розчину, температури, агрегатного стану.

При структурних визначеннях намагаються виключити зовнішні чинники, проводячи вимірювання в стандартних умовах.

Прилади і методи експерименту.

Принципова схема ЯМР – спектрометра: 1 – магніт; 2 –

радіочастотний приймач; 3 – радіочастотний генератор; 4 – підсилювач; 5 – самописець; 6 – ампула зі зразком

Спектрометр ЯМР складається з таких основних деталей:

магніту, який створює потужне однорідне магнітне поле (застосовують як постійні, так і електромагніти),

1-радіочастотного генератора,

2-радіочастотного приймача і підсилювача,

3-пристрою для реєстрації спектра,

4-ампули зі зразком.

Магніт викликає розщеплення рівнів магнітних ядер, тобто створює необхідні умови для поглинання радіочастотного випромінювання.

Радіочастотний генератор збуджує магнітне поле, перпендикулярне до

постійного поля. При певному співвідношенні цих полів настає резонансне

поглинання енергії, яке реєструється радіочастотним детектором.

Умов резонансу можна досягти або зміною напруженості магнітного поля, або

зміною частоти генератору. Частіше застосовується другий принцип.

Вимірювання спектрів ПМР органічних сполук проводять для розчинів

достатньо високої концентрації (5-20%). Вибір розчинника визначається

розчинністю сполуки, що аналізується, і більш повним розділенням сигналів резонансу речовини і розчинника, якщо останній містить ядра, за якими проводиться реєстрація спектра ЯМР.

Оскільки хімічні зсуви визначають відносно еталона, то одночасно зі спектром речовини має бути отриманий і сигнал еталона. Еталонна речовина може бути додана безпосередньо до сполуки, що досліджується (внутрішній еталон), або вміщена в окрему ампулу (зовнішній еталон).

Речовини, які використовують як внутрішній еталон, не повинні взаємодіяти зі зразком. Спектр протонного магнітного резонансу записують на бланках, вісь

абсцис яких градуюється в одиницях напруженості магнітного поля або в

одиницях частоти

ПМР - спектр фенацетину

Області застосування

Спектри ЯМР 1Н і 13С надають широку інформацію про молекулярну структуру речовини, що аналізується. Положення сигналів резонансу в спектрі, їх тонка структура і площі дозволяють визначити число атомів гідрогену або карбону в окремих групах, найближче хімічне оточення, порядок з’єднання окремих фрагментів, наявність домішок.

Різноманітність структурної інформації спектрів ПМР практично виключає збіг спектрів різних сполук. У зв’язку з цим метод спектроскопії ЯМР застосовують для ідентифікації лікарських сполук. Для цього використовують найбільш повний набір спектральних параметрів, що характеризують структуру речовини.

ЯМР-спектроскопі́я білкі́в — метод структурної біології, в якому ЯМР спектроскопія використовується для отримання інформації про структуру і динаміку  білків

ЯМР-спектроскопія білків потребує особливого підходу оскільки їх молекули містять зазвичай тисячі атомів і «рознесення сигналів» є непростою задачею. Для протеїнів розміром порядку 200 амінокислот застосовують:

• ізотопно збагачені зразки (N15, C13)

• кількаденні експерименти для накопичення сигналів

• хороші спектрометри (500 МГц та вище)

• багатовимірні техніки, що дозволяють розрізнити пари взаємодіючих (просторово близьких) ядер. Найкращі результати дає 3D-NMR CHN (використовують перенос збудження з протонів на вуглець та азот).

Мас – спектрометрія

Мас – спектрометрією називають метод аналізу, заснований на розділенні іонів, які відрізняються масою m та зарядом е, під дією електричних та магнітних полів. Відношення m/е для однозарядних іонів дорівнює масі іону.

Маси іонів вимірюють в атомних одиницях (а.о.м.), за яку приймають 1/12 частину маси атома карбону 12С. Округлені повно численні величини мас називають масовими числами.

Мас – спектрометрію застосовують для аналізу речовин після переведення їх в пароподібний стан в вакуумі при 13 – 1300 мкПа.

Здійснюють аналіз за допомогою мас-спектрометру, який реєструє розподіл заряджених часток за масами; цей розподіл носить назву мас-спектру.

Мас-спектрометр має чотири основні вузли (рис. 1.11.1): система введення проби, система переводу атомів або молекул в іонний стан (іонне джерело), система розділення іонів за масами (мас-аналізатор), система реєстрації іонного струму (детектор).

Відомо багато типів мас – спектроскопії, які розрізняються способами іонізації, розділення іонів та їх реєстрації.

Блок-схема мас-спектрометру

1Введення проби – 2.Іонне джерело – 3.Мас-аналізатор – 4.Реєстрація іонного струму

Схема мас-спектрометру з подвійним фокусуванням:

1 – іонний пучок; 2 – електростатичне поле; 3 – магнітне поле;

4 – фотопластинка.

Тиск, при якому здійснюється мас-спектрометричний аналіз, виключає зіткнення іонів один з одним.

Зазвичай маса проби складає 0,01 – 1 мг.

Рідини, які легко киплять, та тверді речовини, які леткі, попередньо випарюють в

балон, з якого через тонкий капіляр подають пар у блок іонізації.

Важко леткі речовини вводять безпосередньо в іонне джерело.

Іонізацію атомів та молекул речовини, яка аналізується, здійснюють частіше за все або бомбардуванням парів зразка електронами середньої енергії, або вакуумною іскрою.

Для електронного бомбардування застосовують пучки електронів з енергією 50 – 100 еВ.

Для отримання потоку електронів нагрівають металеву пластину. Термоелектрони, які утворилися, прискорюють та пропускають через пари проби в напрямок до аноду, до якого прикладена деяка напруга.

В результаті перших двох реакцій утворюються позитивно зарядженні іони з однаковою масою, але з різними зарядами; в третьому випадку електрон приєднується до молекули та утворюється негативно заряджений молекулярний іон. Частіше здійснюється іонізація з відщепленням одного електрону.

Отримані таким чином позитивно зарядженні іони прискорюють в електричному полі з різницею потенціалів від 1 до 100 кВ.

Усі однозарядні іони приймають при цьому енергію Е

Е = еV

де е – заряд іону; V – потенціал, прикладений до пластин, які утворюють

електричне поле.

Після проходження електричного поля кінетична енергія, яка прийнята

іонами, дорівнює Е = еV= mv2/2,

де m – маса іону; v – швидкість іону.

Швидкість іону на виході з прискорюючого електричного поля

v = √ 2еV / m

Отриманий потік іонів (електричний струм іонів) направляють в мас-аналізатор. Іонізація за допомогою потоку електронів використовується в основному при аналізі органічних сполук.

У поперечному електричному полі (напрямок поля перпендикулярний руху іонів) радіус кривизни траєкторії зарядженої частки пропорційний її енергії еV та обернено пропорційний напрузі поля.

Іони з однаковою енергією однаково відхиляються при русі в електричному полі. Таким чином, в електричному полі досягається фокусування іонів за енергіями. Фокусування іонів за масами відбувається під дією магнітного поля. В поперечному магнітному полі на заряджену частку діє магнітна сила, яка її відхиляє.

Радіус траєкторії руху іонів можна знайти з рівняння:

r = 1/H√2 vm/е

Іони з різними масами рухаються за різними траєкторіями, тобто в магнітному полі відбувається просторове розділення іонів на потоки; в кожному потоці містяться іони з однаковим відношенням маси до заряду.

Для реєстрації потоку іонів в іскрових мас-спектрометрах частіше за все використовують іонно-чутливі фотопластинки. Пучки іонів викликають у місцях потрапляння засвічування фотопластинки. Після проявлення фотопластинки знаходять положення смуг та інтенсивність їх почорніння. На рис. наведена типова мас-спектрограма легких елементів.

Під спектрами наведені масові числа

При якісному аналізі (по попередньо встановленим положення реперних ліній, які відповідають іонам хімічних елементів, визначеної концентрації), після проявлення фотоплівки знаходять лінії, які відповідають іонам, які визначаються.

При кількісних визначеннях вимірюють оптичну густину аналітичних ліній за допомогою мікрофотометру.

Будують градуювальний графік та знаходять концентрацію домішок.

Масспектрометрія є одним з універсальних методів аналізу речовин. Широко використовується мас-спектрометрія при дослідженні структури органічних молекул.

Методом мас-спектрометрії за один раз експериментально можна визначити 50 – 60 елементів. Взаємний вплив елементів малий, що робить метод селективним.

Метод має високу чутливість; межа визначення складає 10-7%. Мас-спектрометрія використовувалась при повному аналізі місячного ґрунту. Її застосовують при визначенні ізотопного складу, при аналізі особливо чистих речовин.

Мала витрата зразку дозволяє вивчити розподіл домішок в твердих речовинах, тобто проводити локальний та пошаровий аналіз.