Количественный ИК-анализ

Количественный ИК-анализ основан на измерении интенсивности поглощения инфракрасного излучения молекулами анализируемого вещества и применении закона Бугера–Ламберта–Бэра. Основная цель метода — определение концентрации веществ в различных средах на основе их уникальных спектральных характеристик.

Закон Бугера–Ламберта–Бэра в ИК-спектроскопии выражается следующим образом:

$$ A = \log_{10}\frac{I_0}{I} = \varepsilon \cdot c \cdot l $$

где:

  • A — абсорбция (оптическая плотность),
  • I0 и I — интенсивности падающего и прошедшего излучения,
  • ε — молярный коэффициент экстинкции,
  • c — концентрация вещества,
  • l — толщина поглощающего слоя.

Прямое применение закона Бугера возможно при выполнении условий линейности абсорбции и отсутствия сильного рассеяния или взаимодействия молекул в растворе.

Методы количественного анализа

1. Прямое измерение абсорбции. Используется для растворов и газов, где спектральные полосы отдельных функциональных групп не перекрываются. Концентрация вычисляется по известному коэффициенту экстинкции, полученному из калибровочных стандартов.

2. Метод калибровочной кривой. Создаются стандарты с известной концентрацией, строится зависимость абсорбции от концентрации. Этот метод позволяет компенсировать отклонения закона Бугера при высоких концентрациях и присутствии матрицы, влияющей на спектр.

3. Метод стандартного добавления. Применяется для сложных матриц. В анализируемый образец вводится известное количество стандарта, после чего измеряется изменение интенсивности абсорбции. Этот метод корректирует влияние матричных эффектов и повышает точность определения.

4. Дифференциальный и спектральный метод интегральной полосы. Используется при наличии перекрывающихся полос или слабой интенсивности сигналов. Измеряется интеграл области поглощения, что позволяет учитывать весь вклад группы поглощающих колебаний.

Пробоподготовка для количественного ИК-анализа

Для точного количественного определения необходимо учитывать форму и толщину образца:

  • Газовые образцы анализируются в кюветах с известной толщиной (обычно 5–10 см).
  • Жидкие образцы часто растворяются в органических растворителях, прозрачных в ИК-области (например, CCl₄, CS₂, CHCl₃).
  • Твердые образцы готовят в виде таблеток с KBr, KCl или в виде пленок, полученных прессованием или напылением на прозрачные подложки.

Толщина слоя должна быть оптимальной: слишком большой слой вызывает сильное поглощение и выход за пределы линейности закона Бугера, слишком тонкий — снижает чувствительность.

Выбор аналитической полосы

Для количественного анализа выбирается специфическая полоса поглощения, характерная для функциональной группы вещества, которая не перекрывается полосами растворителя или матрицы.

Критерии выбора:

  • высокая интенсивность сигнала,
  • минимальное влияние соседних полос,
  • стабильность полосы при изменении условий измерения.

Использование нескольких полос для одного вещества повышает точность и позволяет контролировать чистоту образца.

Влияние факторов на точность

1. Матрица образца. Присутствие других веществ может вызывать сдвиг полос или изменение интенсивности за счет водородных связей и диполь-дипольных взаимодействий.

2. Температура. Изменение температуры может приводить к расширению полос и изменению их положения, что особенно важно для газовых и жидких образцов.

3. Толщина и однородность слоя. Неравномерный слой вызывает искажение абсорбции. Для твердых таблеток необходима тщательная гомогенизация смеси с KBr.

4. Разрешение спектрометра. Высокое разрешение позволяет различать близко расположенные полосы и уменьшает погрешность при интегральном измерении абсорбции.

Методы повышения точности и чувствительности

  • Использование модифицированных кювет с малой толщиной для сильно поглощающих газов.
  • Применение спектровой интерполяции и цифровой фильтрации для уменьшения шума.
  • Калибровка с использованием сертифицированных стандартов, идентичных по матрице анализируемому образцу.
  • Метод дробного анализа: измерение нескольких полос и усреднение результатов для уменьшения систематических ошибок.

Примеры количественного применения

  • Определение содержания углеводов и аминокислот в биологических жидкостях.
  • Контроль примесей в органических растворителях и полимерах.
  • Качественно-количественный анализ компонентов в смесях газов (CO, CO₂, CH₄).
  • Измерение степени замещения в функционализированных полимерах.

Эффективность количественного ИК-анализа достигается благодаря высокой специфичности поглощения, возможности минимальной подготовки образца и прямой связи абсорбции с концентрацией вещества.

Оглавление