Основы оптической спектроскопии

1. Введение в оптическую спектроскопию

1.1. Общие сведения

Определенная часть электромагнитного излучения, которую мы условно называем светом (независимо от того, видимый это свет или невидимый) используется для физических и химических исследований, в частности, для качественного (т.е. получения сведений о строении соединений) и количественного анализа. Эта часть электромагнитного излучения используется в тех методах, которые мы называем оптической спектроскопией.

По сравнению с другими аналитическими методами оптическая спектроскопия обладает рядом преимуществ:

• метод оптической спектроскопии не является разрушающим или агрессивным;

• измерения можно производить с любого расстояния - от нескольких

миллиметров до нескольких сот километров (с самолетов и спутников) без физического контакта с образцом. Опасные и недоступные объекты легко поддаются анализу;

• жидкие образцы так же легко исследуются, как твердые или газообразные, независимо от их оптических свойств. Для метода также не важно, является ли объект прозрачным, полупрозрачным или совершенно непрозрачным;

• по ширине охватываемого диапазона фотометрические и кинетические методы перекрывают все другие аналитические методы;

• такой метод, как фемтосекундная лазерная спектроскопия, позволяет

измерять чрезвычайно быстрые реакции, протекающие в фемтосекундной временной шкале (10-15 с);

• незначительное количество образца в микрометровой области (микроспектроскопия) или очень редкие явления могут быть исследованы методом счета единичных фотонов (измерение нескольких фотонов в секунду);

• с помощью люминесцентных методов определяются чрезвычайно низкие концентрации (менее 10-18 моль/л) веществ;

• радиоактивные маркеры, применяемые для исследований в биохимических и молекулярно-биологических процессах, все в возрастающей степени заменяются более дешевыми и безопасными люминесцентными маркерами, а оборудование – недорогими люминесцентными спектрометрами [8].

Спектральные методы исследования широко используются для изучения веществ и процессов. Эти методы связаны по своей природе с процессами поглощения или испускания электромагнитного излучения в результате переходов между квантованными энергетическими уровнями. Следовательно, эти методы дают информацию о процессах взаимодействия на молекулярном уровне. Электромагнитные колебания характеризуются следующими параметрами: длиной волны (), частотой колебаний () и периодом колебаний (), которые связаны друг с другом:

 = с /  [с -1 ] = 1/ (1) где с – скорость света (1)

В ИК–области для характеристики энергии фотонов чаще всего используют величину, называемую волновым числом:

v = 1/  [см–1], (2)

т.е. это число длин волн, укладывающихся на отрезке в 1 см. Волновое число прямо пропорционально энергии: E = hc v

В зависимости от длины волны используемого электромагнитного излучения различают и спектральные методы. Каждый метод характеризуется своей областью электромагнитного излучения и связан с определенными превращениями в структуре вещества при поглощении этого излучения. Выбор спектрального метода для исследований определяется наличием тех или иных структурных особенностей вещества, которые могут обеспечить поглощение энергии. Наиболее используемыми являются методы оптической спектроскопии (табл. 1) в силу сравнительной доступности приборного обеспечения, легкости получения и интерпретации информации.

Таблица 1

Оптическая спектроскопия подразделяется и по изучаемым объектам: атомная и молекулярная. При помощи атомной спектроскопии можно проводить качественный и количественный анализ элементного состава вещества, так как для каждого элемента характерен свой уникальный набор энергий и интенсивностей переходов между электронными уровнями в атоме.

Из данных молекулярной спектроскопии можно извлекать данные об электронной структуре молекул и твердых тел, а также информацию об их молекулярной структуре. Так, методы колебательной спектроскопии, включающие инфракрасную (ИК) спектроскопию и спектроскопию комбинационного рассеяния (КР), позволяют наблюдать колебания связей в веществе. Наборы полос в ИК– и КР–спектрах являются такой же специфической характеристикой вещества, как и отпечатки пальцев человека. По этим спектрам вещество может быть идентифицировано, если его колебательный спектр уже известен. Кроме того, по ИК– и КР– спектрам определяют симметрию и структуру неизученных молекул. Частоты основных колебаний, находимые из спектров, необходимы для расчета термодинамических свойств веществ. Измерение интенсивности полос в спектрах позволяет проводить количественный анализ, изучать химические равновесия и кинетику химических реакций, контролировать ход технологических процессов.

1. Бассани Ф. Электронные состояния и оптичесике переходы в твердых телах. – М.: Наука, , – 1992. – 391с.

2. Казицына Л. А., Куплетская Н. Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМРспектроскопии в органической химии. – М.: Высшая школа, – 1982. – 264 с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика: учебное пособие. – М.: ФИЗМАТЛИТ, –2013. – 848 с.

4. Марченко З., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой области в неорганическом анализе. – М.:БИНОМ, – 2014. – 711 с.

5. Маряхина В.С. Оптические методы в химии, биологии и медицине: монография. – М.: ФЛИНТА, – 2015. – 141 с.

6. Пентин Ю. А., Курамшин Г.М. Основы молекулярной спектроскопии : учеб. пособие. – М.: БИНОМ, – 2013. – 398 с.

7. Слюсарева Е.А. Оптическая спектроскопия. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, – 2018. – 116 с.

8. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. – М.: Техносфера, – 2007. – 363 с.

9. Януш О. В., Деркачева О. Ю., Гусарова Т. С. Оптическая спектроскопия полимеров: учебное пособие. – СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД, – 2017. – 46 с.