CC BY
47
УДК 535.33/34
СПЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТРИНИТРОТОЛУОЛА В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ ЧАСТОТ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Татьяна Валерьевна Маганакова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (913)795-71-01, e-mail: Maganakova88@mail.ru
Проведен спектрохимический анализ тринитротолуола (ТНТ) в широкой области частот, от 500 до 3500 см-1. Рассмотрен метод дифференциального поглощения и рассеяния для дистанционного определения тринитротолуола.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, дифференциальное поглощение и рассеяние.
SPECTROCHEMICAL FEATURES OF TNT IN A WIDE FREQUENCY AREA
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Tatyana V. Maganacova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., student, tel. (913)795-71-01, e-mail: Maganakova88@mail.ru
A spectrochemical analysis of TNT (trinitrotoluene) in a wide frequency range was carried out, from 500 to 3500 cm-1. The method of differential absorption and scattering for the remote determination of explosives is considered.
Key words: explosives, differential scattering and absorption.
Существует ряд проблем при идентификации и детектировании взрывчатых веществ (ВВ) в открытой атмосфере на большом расстоянии: относительно малое количество паров искомого ВВ (10-12 - 10-15 г/см3), доступное для анализа, связанное с низким давлением насыщенных паров при комнатной температуре для большинства распространенных ВВ; в большинстве случаев ВВ не являются индивидуальными соединениями, а представляют с собой смеси, содержащие в своем составе как примеси и добавки, так и продукты химических превращений ВВ, которые вносят свой вклад в пробах воздуха, взятых с поверхности образцов ВВ [1,2].
В настоящей статье рассмотрен и проанализирован спектр ИК-поглощения молекулы TNT, в широкой области частот (3500 - 500 см-1), проведен спектрохимический анализ и отнесение наблюдаемых полос.
В УФ и видимом диапазонах спектры поглощения ВВ характеризуются наличием широких полос без каких-либо характерных особенностей. В то же время в средней и ИК области, от 2500 см-1 (4 мкм) до 1100 см-1 (9 мкм),
колебательно-вращательные спектры поглощения молекул ВВ обладают высокой специфичностью, определяемой их симметрией и химических составом, что позволяет с достаточной точностью относить отдельные спектральные линии к вполне определенному химическому соединению. Именно в этой области спектра находятся фундаментальные колебательно -вращательные переходы молекул практически всех известных ВВ. Казалось бы, что по этой причине методы ИК лазерной спектроскопии должны представлять наибольший практических интерес для обнаружения и идентификации ВВ. Однако, основная проблема большинства обсуждаемых методов на сегодняшний де нь является отсутствие в ИК диапазоне перестраиваемых лазерных источников света достаточной мощности [1,3,4,5,6,7].
Значения расчетных теоретических утеор колебательных частот для молекулы ТНТ, а так же результаты теоретических расчетов (утеор) и экспериментальные данные (уэксп) из [2] и их отнесение приведены в таблице.
Таблица
Теоретические и экспериментальные частоты и их отнесение для молекул ТНТ и их отнесение
I, интенсив- VTeop VTeop, CM-1 V3Kcn (газ) Отнесение
ность [2] см-1 [2]
31.5009 701.40 726 725.5сл. р 2,4,6 C-N, CH кольца вне плоскости
4.5475 774.16 779 790,3сл. ю 2,6 NO2, CH кольца вне плоскости
8.9204 797.19 816 827,4 сл. 5 2,4,6 NO2 в плоскости
16.1700 893.61 885 917 908,1 сл. ю CH в плоскости, 5 2,6 NO2 в плоскости, v C-N
42.4336 1120.69 1145 1156 1168,3 о.сл р C-C, CH кольца в плоскости, v 2,4,6 CN, C-CH3
300.9212 1278,92 2,6 NO2 ю, р C-C, CH кольца в плоскости
248.3420 1280,98 2,4,6 NO2 ю, v C-CH3, CH кольца в плоскости
5.7925 1381.68 1346 1352 1350,4 с. v 4NO2, C-N, 5 CH кольца в плоскости
39.6301 1428.95 1437 1436,7 о.сл v C-C кольца, р CH кольца в плоскости
112.3516 1467.46 1510,3 пл. ю CH3
42.8814 1517.84 1565 1582 1560,5 о.с. vas 2,6 NO2, 5 CH кольца в плоскости
24.6510 1643.83 1599 1600 1627 1609,6 ср. vas 2,4,6 NO2, 5 CH кольца в плоскости
Окончание табл.
I, интенсив- Утеор Утеор, см-1 Уэксп (газ) Отнесение
ность [21 см-1 [21
I, интенсив- Утеор Утеор, см-1 Уэксп (газ) Отнесение
ность [21 см-1 [21
5.1195 3160.73 3034 2860,0 пл Vas С-Н(СНз)
3.5404 3197.14 2900,1 сл Vas С-Н(СНз)
38.1097 3276.86 3112 3022,4 о.сл. Vs C-H кольца
13.9437 3276.33 3159 3108,5 сл Vas C-H кольца
Примечание. Применяются следующие обозначения: v - валентное, 8 - деформационное, ю - изгибное, р - маятниковое, q - ножничное, s - симметричное, as - антисимметричное колебания; о.с. - очень сильная, с. - сильная, ср. - средняя, сл. - слабая, о.сл. - очень слабая полоса.
Структура молекулы TNT, которая смоделирована с помощью программы GaussView, представлена на рис. 1. С помощью смоделированной молекулы был сделан квантово-химический расчет на основе ТФП с гибридными функционалами B3LYP и базисным набором 3 -21G. Полученные результаты частот и ин-тенсивностей колебательных полос (рис. 2) близки к соответствующим значениям, рассчитанным и экспериментально полученным из [2].
Рис. 1. Структура молекулы ТНТ
Рис. 2. Теоретический ИК-спектр ТНТ в диапазоне от 3500 до 500 см-1
Из таблицы и рис. 2 видно что наиболее интенсивные полосы ИК-поглощения молекулы ТНТ с частотами вблизи 1250 и 1500 см-1относятся к валентным колебаниям группы NO2. Полосы в области 3 мкм и 9-12 мкм обладают заметно меньшей интенсивностью и характеризуют различные колебания C-H связей и кольца, включая целый набор колебаний (изгибное, маятниковое, ножничное и др.).
Одним из высокочувствительных и оперативных методов дистанционной диагностики взрывчатых веществ в настоящее время является лазерное зондирование, основанное на принципе дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР). С помощью установки, посредством плавной перестройки частоты излучения, лазерный импульс, проходя через вещество, устанавливается на максимуме линии поглощения в т. В, затем, на крыле этой линии в т. А (Рис.2). Что может более точно проанализировать и получить сигналы в районе 1250 и 1500 см-1.
Сигналы двух импульсов регистрируются фотодетектором и сравниваются в АЦП. Дифференциальное значение этих двух сигналов выводится на монитор ПК в виде колебательно - вращательных спектров поглощения молекулами ВВ. Благодаря этому, метод ДПР обладает наилучшей чувс твительностью при зондировании определенных составляющих с больших расстояний [5,6,7].
Проведенный анализ показывает, что молекула ТНТ обладает высокой специфичностью в области от 1250 до 1500 см-1, что в свою очередь для обнаружения и детектирования применим метод дифференциального поглощения и рассеяния, и разработанный параметрический лазерный комплекс с плавной перестройкой частоты излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Айрапетян В. С., Маганакова Т В. Дистанционное измерение параметров взрывчатых веществ методом лазерной спектроскопии // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. ХПМеждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специальные вопросы фотоники: Наука. Оборона. Безопасность» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г). - Новосибирск : СГУГиТ 016. -С. 88-93.
2. Спектрохимические особенности некоторых бризантных взрывчатых веществ в парообразном состоянии / Набиев Ш. Ш., Ставровский Д. Б., Палкина Л. А., Збарский В. Л., Юдин Н. В., Голубева Е. Н., Вакс В. Л., Домрачева Е. Г, Собакинская Е. А., Черняева М. Б. // Оптика атмосферы и океана, 2013, 26 № 4 - С. 273-285.
3. Скворцов Л. А.Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхностях удаленных объектов (обзор) // Квантовая электроника, 42, №1, 2012 - Москва. - С. 14. Скворцов Л. А. Дистанционное (Standoff) обнаружение скрытых взрывчатых веществ,
холодного и огнестрельного оружия с помощью методов импульсной терагерцовой спектроскопии и активного формирования спектральных изображений (обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. Т 18, № 5 (сентябрь-октябрь 2014). - Москва. - С. 653-678.
5. Токсикологическая химия : учеб. пособие. / Р У Хабриев [и др.]; под ред. РУТХабриев, Н. И. Калетиной. - М.: ГЭОТАР - Медиа., 2010. - 752 с.
6. Айрапетян В. С., Маганакова Т В. Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК-лазера // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 199-204.
7. Айрапетян В. С., Маганакова Т В. Лазерное зондирование в задаче обнаружения и измерения параметров наркотических веществ // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). - С. 408. Айрапетян В. С., Маганакова Т В. Расчет концентрации наркотиче ских веществ методом дифференциального поглощении и рассеяния // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Между-нар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г). - Новосибирск : СГУГиТ 2015. Т 1. - С. 141-147.
9. Межерис Р Лазерное дистанционное зондирование атмосферы. - М. : Мир, 1987. - 548 с.
10. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика : учебник 2-е издание. - М. : Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656 с.
11. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. - М. : Физматгиз, 1962. -
892 с.
12. Кабанов М. В., Андреев Ю. М., Гейко П. П. Мониторинг эмиссии антропогенного и природного метана. Докл. II Международной конференции по сокращению эмиссии метана, Новосибирск, 2000. - 800 с.
14. Айрапетян В. С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения// Вестник НГУ сер. Физика.- 2009, № 3. -С. 20-24.
15. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.N. e.a. The HITRAN Molecular Database: edition of 1991 and 1992, JQSRT., 1992. v.48, pp.469 - 507.
© В. С. Айрапетян, Т. В. Маганакова, 2017
