CC BY
221
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ФУРЬЕ СПЕКТРОМЕТРА TENSOR-27 ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
ТВЕРДЫХ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ
В.А. Горюнов, преподаватель, к.х.н., М.В. Мамонтов, старший преподаватель, к.т.н., Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
М.С. Донец, ученица, МБОУ лицей № 1, г. Воронеж
Среди многообразных физико-химических методов, которые применяются при исследовании и идентификации химических соединений, инфракрасная (ИК) спектроскопия является одним из широко используемых методов и повседневно применяется в фундаментальных и прикладных исследованиях, а также для контроля различных процессов.
Любая молекула имеет свой, только ей присущий колебательный спектр, состоящий из набора полос разной частоты и интенсивности. В связи с этим колебательный спектр вещества является его индивидуальной характеристикой, (средний ИК-диапазон часто называются диапазоном «отпечатков пальцев» молекул) и может использоваться для идентификации вещества с высокой точностью и чувствительность.
Наиболее широко применяемой в настоящее время методикой спектрального анализа в ИК области является Фурье спектроскопия, основное преимущество которой - возможность одновременной регистрации всего спектра с высокой точностью.
В основе метода ИК Фурье спектроскопии лежит Фурье-преобразование интерферограммы двух пучков исследуемого излучения с переменной оптической разностью хода этих пучков, связанное с тем, что излучению каждой длины волны соответствует определенная интерференционная кривая, получаемая с помощью интерферометра при изменении в нем разности хода, например, перемещением подвижного зеркала в интерферометре Майкельсона.
Инфракрасное излучение, идущее от источника, разделяется полупрозрачным светоделительным зеркалом (светоделителем) на два когерентных пучка. Один пучок направляется к неподвижному плоскому зеркалу и отражается от него на светоделитель, другой идет к подвижному зеркалу и также возвращается, на светоделителе они соединяются. Эти два когерентных пучка интерферируют между собой, в результате чего они могут либо усиливать, либо ослаблять друг друга в зависимости от разности хода между ними.
В результате получается интерферограмма - график зависимости интенсивности зарегистрированного излучения от разности хода пучков. Для монохроматического света она имеет форму косинусоиды. Для используемого в ИК-спектроскопии полихроматического света она приобретает более сложную форму и содержит всю спектральную информацию о падающем на детектор пучке. Далее интерферограмма пересчитывается путём преобразований Фурье.
Рис. 1. Схема оптического Фурье-спектрометра. 1 - Источник белого света или исследуемый
источник; 2 - Линза коллиматора; 3 - Кювета с исследуемым веществом; 4 - Опорный (эталонный) лазер; 5 - Вспомогательные зеркала опорного пучка от лазера; 6 - Фотоприёмник опорного пучка; 7 - Неподвижное зеркало; 8 - Подвижное зеркало; 9 - Механический привод подвижного зеркала; 10 - Объектив фотоприёмника; 11 - Фотоприёмник; 12 - Управляющий и обрабатывающий интерферограмму компьютер; 13 - Светоделительная пластина
Все современные Фурье-спектрометры используют интерференционную картину монохроматического излучения Не-№ лазера для контроля оптической разности хода. Таким образом, Фурье-спектрометры обладают встроенной калибровкой волнового числа с высокой точностью (практически около 0.01 см-1).
Для получения спектра пропускания пробы при одинаковых условиях регистрируют эталонную интерферограмму (сравнения) и интерферограмму с пробой, затем высчитывая их отношение. Необходимость регистрации эталонного спектра связана с тем, что ИК-Фурье спектрометр является однолучевым прибором. В связи, с чем на спектр излучения источника накладываются спектры поглощения углекислого газа, паров воды, и других веществ, находящихся в атмосфере. Те же спектры поглощения примесей регистрируются и в спектре пробы вещества, однако, при делении одного спектра на другой в результирующем спектре остаётся только спектр поглощения пробы.
поглощение атмосферной
Рис. 2. Спектры пропускания. 1 - эталонный (референтный) спектр, 2 - спектр пробы,
3 - спектр пропускания пробы
Спектроскопические данные по полосам поглощения, соответствующие колебаниям определенных групп атомов, функциональных групп и молекул, входящих в состав данного вещества, служит его характеристикой, позволяя идентифицировать неизвестные химические соединения. Однако, этот метод имеет свои ограничения, в связи с тем, что спектр смеси нескольких веществ представляет собой наложение спектров входящих в ее состав индивидуальных соединений.
Обнаружение и исследование остатков твердых продуктов горения проводят на инфракрасном спектрофотометре с Фурье-преобразованием, используя методику приготовления образцов в таблетке с бромидом калия (КВг). При этом отбор пробы должен проводиться в условиях, предотвращающих качественное и количественное изменение в образце (загрязнение). Затем из общей массы образца выделяют навеску, тщательно измельчают и перетирают в агатовой ступке.
После полного измельчения образца, в ступку вносится предварительно взвешенный на аналитических весах бромид калия, в соотношении исследуемое вещество: бромид калия - 1:30. После чего получившуюся смесь вновь тщательно перетирают и перемешивают. Затем отбирают навеску, исходя из диаметра таблеток для исследования, взвешивают на аналитических весах и переносят в пресс-форму.
Смесь прессуют в виде круглой или прямоугольной таблетки. Кристаллы КВг при высоком давлении становятся пластичными и образуют прозрачную матрицу, в которой равномерно распределен порошок исследуемого вещества.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Рис. 3. ИК спектры некоторых компонентов зажигательных смесей и продуктов их превращения: 1 - MgO; 2 - Л120з; 3 - МпО2; 4 - Сг2О3
Рассматривая неизвестные химические соединения, обнаруживаемые на месте пожара, в первую очередь можно выделить компоненты различных зажигательных составов и пиротехнических смесей. В их состав входят как металлы, так и различные окислители.
Характерные широкие полосы поглощения в области ниже 1500 см-1 позволяют идентифицировать в твердых продуктах горения оксиды металлов, указывая на возможный состав зажигательной смеси.
Так же методами ИК Фурье спектроскопии можно идентифицировать ряд других соединений, относящихся к окислителям. Так, в спектрах непромытых водой образцов можно выделить: KNO2 - 1268 см-1, KNO3 - 1382 см-1, КЮ3 - 763 см-1 и другие соединения.
Однако, наряду с несомненными плюсами этой методики, к которым относится высокая чувствительность и точность, а так же возможность за короткое время снять все спектры поглощения пробы. Следует учитывать и минусы, в первую очередь связанные с возможностью вымывания во время тушения пожара характерных водорастворимых соединений.
В связи с этим большую роль играет правильный отбор проб для ИК Фурье спектроскопических исследований. А так же состояние самой пробы, поскольку, чем больше в ней будет содержаться разнообразных загрязнений и примесей, тем более будет затруднена расшифровка ИК спектров.
Список использованной литературы
1. Крылов А.С. Обработка данных инфракрасной Фурье спектроскопии. Метод. пособие. / А.С. Крылов, А.Н. Втюрин, Ю.В. Герасимова [Текст] / Красноярск, Институт физики СО РАН, 2005. - 48 с.
2. Егоров А.С. Инфракрасная фурье-спектроскопия. Эл. учеб.-метод. пособие. [Эл. ресурс] / Нижний Новгород: Нижегородский гос. ун-т, 2012. - 40 с. Режим доступа: http://www.unn.ru/books/met_files/egorov_posobie.pdf. (Дата
обращения: 05.04.2016 г.).
3. Киметач Т.Б. Способы подготовки проб для исследования методом ИК-Фурье спектроскопии. Методические рекомендации / Т.Б. Киметач, К.В. Понкратов [Текст] / М.: ПККН МЗ РФ: Метод. рек. от 14.03.1997 № 1/55-97.
4. Тарасевич Б.Н. Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье: пособие к спецпрактикуму по физико-химическим методам. [Текст] / М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012. - 24 с.
