Введение

таблица данных ИК-спектроскопии. Измерение взаимодействия инфракрасного излучения с веществом.

Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия или вибрационная спектроскопия) – это измерение взаимодействия инфракрасного излучения с веществом посредством поглощения, излучения или отражения. Она используется для изучения и идентификации химических веществ или функциональных групп в твердом, жидком или газообразном состоянии. Может применяться для характеристики новых материалов, а также для идентификации и верификации известных и неизвестных образцов. Метод или техника инфракрасной спектроскопии выполняется с помощью прибора, называемого инфракрасным спектрометром (или спектрофотометром), который формирует ИК-спектр. ИК-спектр визуализируется в виде графика зависимости поглощения (или пропускания) инфракрасного света по вертикальной оси от частоты, волнового числа или длины волны по горизонтальной оси. Типичные единицы волнового числа, используемые в ИК-спектрах, – это обратные сантиметры, обозначаемые как см−1. Единицы ИК-длины волны обычно указываются в микрометрах (ранее называемых "микронами"), обозначаемые как μm, которые обратно связаны с волновым числом. Распространенным лабораторным прибором, использующим эту технику, является ИК-спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR). Возможна также двухмерная ИК-спектроскопия, как описано ниже. Инфракрасная область электромагнитного спектра обычно подразделяется на три региона: ближний, средний и дальний инфракрасный, названные в соответствии с их положением относительно видимого спектра. Высокоэнергетический ближний ИК-диапазон, приблизительно 14 000–4 000 см−1 (0,7–2,5 мкм), может возбуждать обертоны или комбинационные моды молекулярных колебаний. Средний инфракрасный диапазон, приблизительно 4 000–400 см−1 (2,5–25 мкм), обычно используется для изучения фундаментальных колебаний и связанной с ними вращательно-колебательной структуры. Дальний инфракрасный диапазон, приблизительно 400–10 см−1 (25–1 000 мкм), обладает низкой энергией и может использоваться для вращательной спектроскопии и низкочастотных колебаний. Область от 2 до 130 см−1, граничащая с микроволновой областью, считается терагерцовой областью и может использоваться для исследования межмолекулярных колебаний. Наименования и классификация этих поддиапазонов являются условными и лишь в незначительной степени основаны на относительных молекулярных или электромагнитных свойствах.

Использование и применение

Инфракрасная спектроскопия – это простой и надежный метод, широко используемый как в органической, так и в неорганической химии, в исследованиях и в промышленности. В исследованиях катализа это очень полезный инструмент для характеристики катализатора, а также для обнаружения промежуточных и конечных продуктов во время каталитической реакции. Она применяется в контроле качества, динамических измерениях и мониторинге, например, для длительного беспрерывного измерения концентрации CO2 в теплицах и камерах роста с помощью инфракрасных газоанализаторов. Также она используется в криминалистическом анализе как в уголовных, так и в гражданских делах, например, для идентификации деградации полимеров. Ее можно применять для определения концентрации алкоголя в крови подозреваемого в вождении в нетрезвом виде. ИК-спектроскопия успешно используется для анализа и идентификации пигментов в картинах и других произведениях искусства, таких как иллюминированные рукописи. Инфракрасная спектроскопия также полезна для измерения степени полимеризации при производстве полимеров. Изменения в характере или количестве определенной связи оцениваются путем измерения на конкретной частоте с течением времени. Современные исследовательские приборы могут проводить инфракрасные измерения в интересующем диапазоне со скоростью до 32 раз в секунду. Это возможно при одновременном проведении измерений с использованием других методов. Это делает наблюдение за химическими реакциями и процессами более быстрым и точным. Инфракрасная спектроскопия также успешно применяется в области полупроводниковой микроэлектроники: например, ее можно использовать для анализа полупроводников, таких как кремний, арсенид галлия, нитрид галлия, селенид цинка, аморфный кремний, нитрид кремния и т.д. Другое важное применение инфракрасной спектроскопии – в пищевой промышленности для измерения концентрации различных соединений в различных пищевых продуктах. Приборы теперь компактны и могут транспортироваться, в том числе для использования в полевых испытаниях. Инфракрасная спектроскопия также используется в устройствах обнаружения утечек газа, таких как DP IR и EyeCGA. Эти устройства обнаруживают утечки углеводородного газа при транспортировке природного газа и сырой нефти. В феврале 2014 года NASA объявила о значительном обновлении базы данных, основанной на ИК-спектроскопии, для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной. По мнению ученых, более 20% углерода во Вселенной может быть связано с ПАУ, которые являются возможными исходными материалами для образования жизни. ПАУ, по-видимому, образовались вскоре после Большого взрыва, широко распространены во Вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами. Инфракрасная спектроскопия является важным методом анализа в процессе переработки бытовых пластиковых отходов и удобным методом бесконтактной сортировки пластика из различных полимеров (PET, HDPE и т.д.). Другие разработки включают миниатюрный ИК-спектрометр, подключенный к облачной базе данных и подходящий для личного повседневного использования, а также спектроскопические чипы NIR, которые можно встраивать в смартфоны и различные гаджеты. Инфракрасная спектроскопия в сочетании с машинным обучением и искусственным интеллектом также обладает потенциалом для быстрого, точного и неинвазивного обнаружения бактерий. Сложный химический состав бактерий, включающий нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жирные кислоты, приводит к формированию многомерных наборов данных, в которых существенные признаки эффективно скрыты в полном спектре. Поэтому для извлечения существенных признаков требуются передовые статистические методы, такие как машинное обучение и глубокие нейронные сети. Потенциал этого метода для классификации бактерий был продемонстрирован для дифференциации на уровне родов, видов и серотипов, а также показал себя многообещающим для тестирования на чувствительность к антимикробным препаратам, что важно для многих клинических условий, где более быстрое тестирование на чувствительность позволило бы снизить необоснованное эмпирическое лечение антибиотиками широкого спектра действия. Основным ограничением этой методики для клинических применений является высокая чувствительность к техническому оборудованию и методам подготовки образцов, что затрудняет создание крупномасштабных баз данных. Однако попытки в этом направлении были предприняты компанией Bruker с помощью IR Biotyper для микробиологии пищевых продуктов.

Теория

Инфракрасная спектроскопия основана на том, что молекулы поглощают частоты, характерные для их структуры. Эти поглощения происходят на резонансных частотах, то есть частота поглощаемого излучения совпадает с частотой колебаний. На энергии влияют форма молекулярных поверхностей потенциальной энергии, массы атомов и связанное с ними виброническое взаимодействие. В частности, в приближениях Борна — Оппенгеймера и гармоническом приближении (то есть когда молекулярный гамильтониан, соответствующий электронному основному состоянию, может быть аппроксимирован гармоническим осциллятором в окрестности равновесной молекулярной геометрии), резонансные частоты связаны с нормальными колебательными модами, соответствующими поверхности потенциальной энергии электронного основного состояния молекулы. Таким образом, это зависит как от природы связей, так и от массы атомов, участвующих в колебаниях.

Практическая инфракрасная спектроскопия

Инфракрасный спектр образца регистрируется путем пропускания через него пучка инфракрасного света. Когда частота ИК-излучения совпадает с частотой колебаний связи или группы связей, происходит поглощение. Анализ прошедшего света позволяет определить количество энергии, поглощенной на каждой частоте (или длине волны). Это измерение можно осуществить путем сканирования диапазона длин волн с помощью монохроматора. Альтернативно, весь диапазон длин волн измеряется с помощью прибора, использующего преобразование Фурье, а затем на основе полученных данных строится спектр пропускания или поглощения с использованием специализированной процедуры. Этот метод широко применяется для анализа образцов, содержащих ковалентные связи. Простые спектры наблюдаются для образцов с небольшим количеством ИК-активных связей и высокой степенью чистоты. Более сложные молекулярные структуры приводят к большему количеству полос поглощения и более сложным спектрам.

Образцы газа

Для газообразных образцов требуется ячейка с большой длиной оптического пути для компенсации низкой концентрации вещества. Длина оптического пути в ячейке зависит от концентрации определяемого соединения. Для концентраций до нескольких сотен ppm можно использовать простую стеклянную трубку длиной 5–10 см, оснащенную инфракрасно-прозрачными окнами на обоих концах. Концентрации газа, значительно ниже ppm, можно измерять с помощью ячейки Уайта, в которой инфракрасный свет с помощью зеркал направляется на прохождение через газ. Ячейки Уайта доступны с оптической длиной пути от 0,5 м до сотен метров.

Образцы жидкости

Жидкие образцы могут быть помещены между двумя пластинами соли (обычно хлорида натрия, или поваренной соли, хотя также используются и другие соли, такие как бромид калия или фторид кальция). Пластины прозрачны для инфракрасного излучения и не вносят никаких помех в спектры. Благодаря развитию компьютерной фильтрации и обработки результатов, образцы в растворе теперь можно измерять с высокой точностью (вода создает широкую абсорбцию во всем интересующем диапазоне, что делает спектры нечитаемыми без соответствующей компьютерной обработки).

Твердые образцы

Твердые образцы можно приготовить различными способами. Один из распространенных методов – измельчение образца с жирным смачивающим агентом (обычно минеральным маслом Nujol). Тонкая пленка полученной суспензии наносится на соляные пластины и измеряется. Второй метод заключается в тонком измельчении определенного количества образца со специально очищенной солью (обычно бромидом калия) для уменьшения эффектов рассеяния от крупных кристаллов. Затем эта порошковая смесь прессуется в механическом прессе для формирования полупрозрачной таблетки, через которую проходит луч спектрометра. Некоторые приборы также автоматически идентифицируют измеряемое вещество, сравнивая его спектр с базой данных, содержащей тысячи эталонных спектров.

FTIR

Инфракрасная спектроскопия преобразования Фурье (FTIR) – это метод измерения, позволяющий регистрировать инфракрасные спектры. Инфракрасный свет направляется через интерферометр, а затем через образец (или наоборот). Подвижное зеркало внутри прибора изменяет распределение инфракрасного света, проходящего через интерферометр. Непосредственно регистрируемый сигнал, называемый «интерферограммой», представляет собой выход света как функцию положения зеркала. Метод обработки данных, называемый преобразованием Фурье, преобразует эти исходные данные в желаемый результат (спектр образца): выход света как функцию длины волны инфракрасного излучения (или, эквивалентно, волнового числа). Как описано выше, спектр образца всегда сравнивается с эталоном. Альтернативным методом получения спектров является «дисперсионный» метод или метод «сканирующего монохроматора». В этом подходе образец последовательно облучается различными монохроматическими длинами волн. Дисперсионный метод более распространен в УФ-видимой спектроскопии, но менее практичен в инфракрасном диапазоне, чем метод FTIR. Одной из причин предпочтения FTIR является так называемое «преимущество Фелджетта» или «мультиплексное преимущество»: информация на всех частотах собирается одновременно, что улучшает скорость и отношение сигнал/шум. Другая причина – «преимущество пропускной способности Жакино»: дисперсионное измерение требует регистрации гораздо более низких уровней света, чем измерение FTIR. Существуют и другие преимущества, а также некоторые недостатки, такие как IR NSOM, фототермическая микроспектроскопия, Nano FTIR и инфракрасная спектроскопия на основе атомно-силового микроскопа (AFM IR).

Другие методы молекулярной вибрационной спектроскопии

Инфракрасная спектроскопия – не единственный метод изучения молекулярных колебательных спектров. Рамановская спектроскопия основана на процессе неупругого рассеяния, в котором лишь часть энергии падающего фотона поглощается молекулой, а оставшаяся часть рассеивается и детектируется. Разность энергий соответствует поглощенной колебательной энергии. Правила отбора для инфракрасной и рамановской спектроскопии различны, по крайней мере, для некоторых молекулярных симметрий, поэтому эти два метода дополняют друг друга, поскольку они регистрируют колебания разных симметрий. Другой метод – спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), в которой поглощенная энергия обеспечивается неупруго рассеянным электроном, а не фотоном. Этот метод полезен для изучения колебаний молекул, адсорбированных на твердой поверхности. В последнее время спектроскопия потерь энергии электронов высокого разрешения (HREELS) стала методом проведения колебательной спектроскопии в трансмиссионном электронном микроскопе (TEM). В сочетании с высоким пространственным разрешением TEM стали возможны беспрецедентные эксперименты, такие как измерения температуры в наномасштабе, картирование изотопно-меченых молекул, картирование фононных мод в пространстве координат и импульсов, картирование поверхностных и объемных колебательных мод на нанокубах, а также исследование поляритонных мод в кристаллах Ван-дер-Ваальса. Анализ колебательных мод, неактивных в ИК-спектроскопии, но проявляющихся в неупругом рассеянии нейтронов, также возможен с высоким пространственным разрешением с использованием EELS. Несмотря на очень высокое пространственное разрешение HREELS, полосы оказываются значительно более широкими по сравнению с другими методами.

Поглотительные полосы

Инфракрасная спектроскопия часто используется для идентификации структур, поскольку функциональные группы приводят к появлению характеристических полос как по интенсивности, так и по положению (частоте). Положения этих полос суммированы в таблицах корреляции, как показано ниже.

Двумерная ИК

Двумерный инфракрасный корреляционный спектроскопический анализ объединяет несколько спектров инфракрасного излучения для выявления более сложных свойств. Расширяя спектральную информацию возмущенного образца, упрощается спектральный анализ и повышается разрешение. 2D синхронные и 2D асинхронные спектры представляют собой графический обзор спектральных изменений, вызванных возмущением (например, изменением концентрации или температуры), а также взаимосвязи между спектральными изменениями на двух различных волновых числах. Нелинейная двумерная инфракрасная спектроскопия является инфракрасным аналогом корреляционной спектроскопии. Нелинейная двумерная инфракрасная спектроскопия – это метод, ставший доступным с развитием фемтосекундных инфракрасных лазерных импульсов. В этом эксперименте сначала на образец воздействуют импульсы накачки. Затем следует время задержки, в течение которого системе позволяется релаксировать. Типичное время задержки составляет от нуля до нескольких пикосекунд, а его продолжительность может контролироваться с точностью до десятков фемтосекунд. После этого применяется импульс зонда, что приводит к излучению сигнала образцом. Нелинейный двумерный инфракрасный спектр представляет собой двумерный график корреляции между частотой ω1, возбужденной начальными импульсами накачки, и частотой ω3, возбужденной импульсом зонда после времени задержки. Это позволяет наблюдать связь между различными колебательными модами; благодаря чрезвычайно высокому временному разрешению, его можно использовать для мониторинга молекулярной динамики в пикосекундном масштабе времени. Это все еще в значительной степени неизученная методика, которая становится все более популярной для фундаментальных исследований. Как и в двумерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (2D ЯМР), эта методика расширяет спектр до двух измерений и позволяет наблюдать перекрестные пики, содержащие информацию о связи между различными модами. В отличие от 2D ЯМР, нелинейная двумерная инфракрасная спектроскопия также включает возбуждение обертонов. Эти возбуждения приводят к пикам поглощения в возбужденном состоянии, расположенным ниже диагонали и перекрестным пикам. В 2D ЯМР часто используются два различных метода: COSY и NOESY. Перекрестные пики в первом случае связаны со скалярным взаимодействием, а во втором – с переносом спина между различными ядрами. В нелинейной двумерной инфракрасной спектроскопии были установлены аналогии с этими методами 2D ЯМР. Нелинейная двумерная инфракрасная спектроскопия с нулевым временем задержки соответствует COSY, а нелинейная двумерная инфракрасная спектроскопия с конечным временем задержки, позволяющим перенос колебательной заселенности, соответствует NOESY. Вариант нелинейной двумерной инфракрасной спектроскопии COSY использовался для определения содержания вторичной структуры белков.